TVORIVÝ UČITEĽ FYZIKY V

Transcription

1 Slovenská fyzikálna spoločnosť TVORIVÝ UČITEĽ FYZIKY V Národný festival fyziky 2012 Kongresové centrum SAV Smolenice apríl 2012 Košice, 2012

2 Príspevky prešli odbornou recenziou. Recenzenti: RNDr. Dalibor Krupa, CSc., D.Phil. doc. RNDr. Marián Kireš, PhD. doc. RNDr. Zuzana Ješková, PhD. Za jazykovú úpravu zodpovedajú autori príspevkov. Zborník príspevkov Vydala Slovenská fyzikálna spoločnosť, Dúbravská cesta 9, Bratislava. Editori: doc. RNDr. Marián Kireš, PhD. RNDr. Dalibor Krupa, CSc., D.Phil.

3 Obsah 1 Predslov 2 FOTOELEKTRICKÁ FOTOMETRIA TESNÝCH DVOJHVIEZD VO HVEZDÁRNI JÚLIA PRVÉ VÝSLEDKY 3 Vladimír Bahýl SÚČASNÝ STAV EXPERIMENTOVANIA NA NAŠICH ŠKOLÁCH 9 Marek Balážovič INTERAKTÍVNE ANIMÁCIE V PROSTREDÍ COACH ŠIKMÝ VRH 20 Lukáš Bartošovič, Peter Demkanin FYZIKA JE MOJA KAMARÁTKA 28 Mária Beniačiková HISTÓRIA A PRINCÍPY FAREBNEJ FOTOGRAFIE 34 Sofia Berezina FYZIKA V SLUŽBÁCH TECHNIKY A NAOPAK 43 Peter Bokes TVORIVOSŤ JE FAJN 47 Mária Bystrianska, Michaela Reichelová, Ľubomíra Valovičová MOŽNOSTI VYUŽITIA ASTRONOMICKÝCH DATABÁZ V PRÍPRAVE UČITEĽOV FYZIKY 53 Mária Csatáryová, Štefan Parimucha, Martin Šechný VIRTUÁLNE LABORATÓRIUM V PROJEKTE ŠKOLA ASTRONÓMIE PRE SENIOROV 60 Mária Csatáryová, Vladimír Šebeň NEZNÁME KOZMICKÉ ŽIARENIE 64 Alexander Dirner, Marek Bombara ANTIHMOTA, HYPERHMOTA A TMAVÁ HMOTA 75 Peter Filip VOĽNE DOSTUPNÉ APLIKÁCIE PRE VYUČOVANIE TÉMY ZVUK 84 Františke Gomboš AKO SA TVORIA POZNATKY POZNÁVANIE S VYUŽITÍM METÓDY ČIERNEJ SKRINKY 92 Viera Haverlíková VIRTUÁLNE CENTRUM VEDY SCHOLA LUDUS ON-LINE 99 Viera Haverlíková, Katarína Teplanová, Marián Zelenák VYUŽITIE VIDEOANALÝZY REÁLNYCH DEJOV VO VÝUČBE FYZIKY 102 Peter Hockicko FYZIKÁLNE HRY, HRAČKY A JEDNODUCHÉ POKUSY NA PREDNÁŠKOVO-EXPERIMENTÁLNYCH TURNÉ 109 Oľga Holá AKTIVIZOVANIE UČITEĽOV FYZIKY PRE AKTÍVNE ŽIACKE POZNÁVANIE MAGNETICKÉ POLE ZEME 116 Peter Horváth VÝSLEDKY PILOTNÉHO TESTOVANIA ARGUMENTÁCIE V KONTEXTE VYUŽÍVANIA ENERGIE 124 Jana Horváthová OPTICKÉ VLÁKNA A ICH VYUŽITIE V PRAXI - MOTIVAČNÁ PREZENTÁCIA PRE ŽIAKOV GYMNÁZIÍ 132 Martina Horváthová METEOROLOGICKÉ PRÍSTROJE ZO ŠKOLSKÝCH LAVÍC 140 Zuzana Hudáková SIMULÁCIE, VIRTUÁLNE LABORATÓRIUM 144 Dana Jančinová VÝUČBOVÉ MATERIÁLY NA TÉMU ZVUK V PROJEKTE ESTABLISH 147 Zuzana Ješková, Marián Kireš, Ewa Kedzierska PREKONAJME SAMI SEBA 153 Marián Kireš, Zuzana Ješková, Claudio Fazio POČÍTAČOM PODPOROVANÉ EXPERIMENTY S PODPOROU SYSTÉMU ISES V PRÍRODOVEDNOM VZDELÁVANÍ 158 Michaela Kostelníková, Lukáš Tkáč VYUŽITIE DYNAMICKÉHO GEOMETRICKÉHO PROGRAMU COMPASS AND RULER (C.A.R.) VO VYUČOVANÍ FYZIKY NA ZÁKLADNÝCH A STREDNÝCH ŠKOLÁCH 166 Katarína Krišková DIMENZIE PRIESTORU A ČASU 170 Dalibor Krupa HĽADANIE HIGGSA 174 Dalibor Krupa INŠPIRATÍVNE NÁMETY NA ŽIACKE EXPERIMENTOVANIE 178 Mária Nováková, Marián Kireš ZAUJÍMAVÉ EXPERIMENTY NA VYUČOVANIE FYZIKY

4 Ľudmila Onderová, Jozef Ondera ELEKTROMAGNETICKÝ LEVITÁTOR 190 Stanislav Ondruš E-LABORATÓRIA NA INTERNETE A ICH IMPLEMENTÁCIA DO EDUKAČNÉHO PROCESU 193 Miroslava Ožvoldová MĚŘ, POČÍTEJ A MĚŘ ZNOVU 207 Václav Piskač MĚŘENÍ ČASU TROCHU JINAK 212 Lenka Prusíková VÝUKA ASTRONOMIE NA ZŠ A SŠ S VYUŽITÍM STRÁNEK ASTRONOMIA.ZCU.CZ 215 Miroslav Randa, Ota Kéhar MONITORING JASU NOČNEJ OBLOHY 221 Pavol Rapavý, Peter Begeni FYZIKÁLNA SHOW AKO MOTIVAČNÝ PRVOK VO VYUČOVANÍ 227 Martin Štubňa, Ľubomíra Valovičová, Ján Ondruška PROJEKTOVÁ METODA ASTRONOMIE JAKO JEDNA Z CEST KE ZVÝŠENÍ ATRAKTIVITY VYUČOVÁNÍ FYZIKY 231 Zuzana Suková FYZIKÁLNY EXPERIMENT ZA VLASTNÉ 236 Pavol Valko SOLÁRNE KOLEKTORY AKO KRÁTKODOBÝ A DLHODOBÝ ŽIACKY VEDECKÝ PROJEKT 248 Ľubomíra Valovičová, Ján Ondruška ZAVÁDZANIE FYZIKÁLNYCH POJMOV LOM SVETLA A INDEX LOMU AKTÍVNOU POZNÁVACOU ČINNOSŤOU ŽIAKOV252 Michaela Velanová, Peter Demkanin MEDZIPREDMETOVÉ VZŤAHY A MEANDRE RIEK 258 Klára Velmovská Z FYZIKÁLNEJ KUCHYNE GYMNÁZIA PÚCHOV II 267 Mgr. Mária Pastorková PREDSLOV Aktuálne potreby informačnej spoločnosti si vyžadujú strategickú zmenu v prírodovednom vzdelávaní. Do popredia sa dostávajú interaktívne vyučovacie metódy, najmä bádateľsky orientované. Slovenská fyzikálna spoločnosť (SFS) združujúca ľudí z výskumných aj pedagogických pracovísk sa sústavne venuje prenosu najnovších prírodovedných poznatkov z výskumu do pedagogického procesu tvorivým spôsobom. Pracoviská pripravujúce budúcich učiteľov v spolupráci s učiteľmi základných a stredných škôl sa snažia inovovať a aplikovať vzdelávacie metódy smerujúce k aktívnemu poznávaniu, pochopeniu podstaty javov a rozvíjaniu kľúčových zručností využiteľných v celoživotnom vzdelávaní. Predkladaná publikácia vznikla v spolupráci učiteľov zo škôl a univerzít s poprednými vedeckými pracovníkmi z univerzít a Slovenskej akadémie vied, ktorým SAV vo svojom Kongresovom centre v Smoleniciach poskytuje vynikajúce podmienky pre efektívny prenos najnovších poznatkov. Národný festival fyziky organizuje SFS v spolupráci s domácimi aj zahraničnými pracoviskami. K jeho zrodu prispeli významné európske výskumné inštitúcie (CERN, ESA, ESO, ILL a ESFR) prostredníctvom európskeho projektu Science on Stage a Európskej fyzikálnej spoločnosti. Z domácich vedeckovýskumných a pedagogických inštitúcii sa popri ústavoch SAV (FÚ a GFÚ Bratislava, ÚEF Košice) na spolupráci a spoluorganizácii zúčastňujú PF UPJŠ v Košiciach a FMFI UK v Bratislave, ďalej Spoločnosť pre vedu a vzdelávanie PANSOPHIA n.o., Pedagogická sekcia JSMF, Hvezdáreň v Rimavskej Sobote a iné. Grantovú podporu poskytla agentúra APVV prostredníctvom LPP projektov: LPP Veda na scéne Slovensko, LPP Odhalenie tajov mikrosveta a Rada slovenských vedeckých spoločností pri SAV. Publikácia Tvorivý učiteľ fyziky V je v elektronickej forme prístupná na: Editori - 2 -

5 FOTOELEKTRICKÁ FOTOMETRIA TESNÝCH DVOJHVIEZD VO HVEZDÁRNI JÚLIA PRVÉ VÝSLEDKY Vladimír Bahýl KFEAM, DF TU vo Zvolene, hvezdáreň Júlia, Zvolenská Slatina Abstrakt: Prezentované sú prvé výsledky pozorovaní zákrytových premenných hviezd na hvezdárni Júlia. Všeobecne sú popísané objekty pozorovania a prvé reálne skúsenosti s pozorovaním. Predovšetkým je popísaný teleskop a jeho vybavenie. Ďalej sú rozoberané problémy, ktoré každý záujemca o seriózne pozorovania tesných dvojhviezd musí prekonať a na záver sú prezentované prvé dosiahnuté výsledky ako dôkaz toho, že na hvezdárni Júlia bolo aj v oblasti DSLR fotometrie ozaj prejdené od pokusov k serióznym pozorovaniam. Touto prácou chceme pomôcť a povzbudiť záujemcov z radov študentov, učiteľov a vôbec všetkých tých, ktorý sa o pozorovania tesných dvojhviezd vážne zaujímajú. Kľúčové slová Astronómia, tesné dvojhviezdy, DSLR fotometria Úvod Hvezdáreň Júlia bola slávnostne otvorená pre vedeckú prácu v auguste roku 2010 (Bahýl, Pastierovič 2010) pri príležitosti 18. Konferencie slovenských fyzikov ako sprievodná akcia. Po počiatočnom testovaní možností v oblasti fotografie planét Slnečnej sústavy a po kompletnom ako technickom a technologickom, tak aj softwarovom vybudovaní pracoviska v tomto smere výskumu sme sa rozhodli orientovať sa na dva vedecké programy ako na nosné programy pracoviska. Prvým je monitoring jasných bolidov, kde už pomaly tri roku každú čo i len trochu vhodnú noc monitorujeme oblohu fotografickou kamerou vybavenou predsádkovým objektívom typu rybie oko. Na obrázky číslo 1 je tento systém prezentovaný. Fotoaparát je pred poveternosťou chránený v drevenej skrinke a objektív je vyhrievaný elektricky odporovým drôtom. Takto je zabezpečené to, že vôbec, ani pri najväčších mrazoch nedochádza k námraze na objektíve. Aj keď nejde o pozorovanie premenných hviezd, ale o program v oblasti výskumu MPH, kvôli informovanosti čitateľa sa o ňom zmieňujeme. Naviac posledne sa nám podarilo zapojiť sa do medzinárodnej siete CEMeNt a veríme, že o pozorovaniach meteorov na hvezdárni Júlia bude ešte počuť. No ale teraz späť k téme. Pozorovanie premenných hviezd považujeme za nosný vedecký program pre hvezdáreň Júlia a preto v podstate od vybudovania a otvorenia hvezdárne venujeme tejto problematike pozornosť. A skutočne ide o tak náročný program, že z prvých serióznych výsledkov sa je možné tešiť len viac ako po roku až dvoch systematickej a usilovnej práce. Aby niekomu, kto príde po nás bolo možné toto obdobie skrátiť, píšeme aj túto prácu v ktorej sa snažíme najmä odovzdať naše poznatky a skúsenosti z budovania prístrojového vybavenia a skúsenosti z jeho uvádzania do prevádzky. Mať prístroj - ďalekohľad je jedna vec. No byť schopný s ním aj seriózne pozorovať je vec úplne, ale úplne iná. Zákrytové dvojhviezdy Aj keď tu nie je miesto na encyklopedicky pojem alebo na vyčerpávajúce texty, spomenieme, že zákrytové dvojhviezdy sú také, keplerovsky viazané dve hviezdy, ktoré pri vzájomnom obehu jedna druhú zakrývajú, čo sa prejavuje na zmene jasnosti sústavy, ktorá sa nám navonok javí ako jedna hviezda. Jednoducho hviezdy sa pri vzájomnom obehu jedna druhú zakrývajú a ak naviac látky - 3 -

6 z ktorých sú hviezdy zložené navzájom určitým spôsobom interagujú, hovoríme o polo dotykových alebo o kontaktných sústavách. Tie posledné nás zaujímajú osobitne, nakoľko periódy zmien ich jasnosti sú pod dĺžku nočného pozorovacieho intervalu, najmä v zime a je teda za jednu noc možné odpozorovať celú ich svetelnú krivku. To je pre začínajúceho pozorovateľa nesmierne dôležité z hľadiska dosiahnutia špičkovej presnosti meraní. Obr. 1. Rotačný sektor s motorom je momentálne demontovaný. Ešte raz zdôrazňujeme, že pozorovanie takýchto sústav je podľa našich skúseností v počiatkoch práce v oblasti fotometrie dvojhviezd veľmi dôležité. Ak niekto zvládne a bezpečne zvládne pozorovania sústavy s periódou zhruba pod 0,4 dňa, môže si trúfať aj na sústavy s dlhšou periódou. Do hry totiž vstupujú faktory kalibrácie pozorovacieho systému, pozorovacích podmienok atď. atď. a vôbec nie je ťažké posunúť sa v hodnotách magnitúd a potom sa diviť. Ďalším a veľmi významným faktorom, prečo je užitočné pozorovať práve tieto krátko periodické, kontaktné sústavy je fakt, že u nich dochádza k pomerne rýchlemu stáčaniu priamky apsíd (roky až desiatky rokov) a je možné modelovať vnútornú štruktúru takejto sústavy metódami počítačovej tomografie. Toto je ale problém sám o sebe, nielenže hodný, ale si priam vyžadujúci samostatnú štúdiu a predpokladáme, že sa k nemu práve takouto štúdiou čoskoro vrátime. Sme na to teoreticky a do určitej miery aj prakticky, čo do predbežných výsledkov pripravení. Celestron 9,25 Hlavným prístrojom hvezdárne Júlia je ďalekohľad typu Schmidt Cassegrein Celestron Advanced Series GT SC 9,25. Je zaujímavé, že doklad o kúpe je z a podľa pozorovacieho denníka prvé pozorovanie vo hvezdárni Júlia sme uskutočnili až Je to dosť, ale ak si uvedomíme, že od vynútene dobrovoľného odchodu z postu profesionálneho astronóma uplynulo do tej doby skoro 30 rokov, je to vlastne včera. Ku nemu je sada objektívov na bežné pozorovania a pre problémy s nastavovaním pozície ďalekohľadu bol originálny hľadáčik nahradený lepším

7 Lepším napr. v tom zmysle, že v ňom sú už napríklad viditeľné Medičejské hviezdy, čo v hľadáčiku dodanom s prístrojom nebolo možné. Pomocou neho je bez problémov možné nájsť aj Neptúna. Pre DSLR fotometriu sme sa rozhodli používať digitálny fotoaparát Cannon EOS 50D. Pre problémy s identifikáciou objektov na matnici fotoaparátu sme tento vybavili dodatočným hľadáčikom s ktorým sme schopní identifikovať objekty do dvanástej magnitúdy. Ďalším, veľmi závažným problémom bolo udržanie hviezdy v zornom poli fotoaparátu. Dal sa používať pointer. No bolo to skutočne únavné a najmä v zime nereálne. Vydržať 10 hodín čo ako oblečený je veľa aj na mladého chlapa, nieto pre starčeka ťahajúceho k sedemdesiatke. Preto sme k ďalekohľadu zakúpili systém na kontrolu a udržanie pozície prístroj značky NextGuide a problémy prestali a mohli sme skutočne začať v pokoji pozorovať. Teraz je ďalekohľad tak vybavený, že ho miesto prakticky stále je potrené kontrolovať raz za 90 minút. Stav pred a po zamontovaní systému NextGuide dokumentujeme obrázkom číslo 2. Obr. 2. Vľavo je systém NextGuide vypnutý. Ide o hviezdu Rigel v súhvezdí Orión. Pre úplnosť informácie na obrázku číslo 3 je náš systém cez štrbinu kupole v plnej paráde. Problémy Jedna vec je mať ďalekohľad, vybudovať preň čo i len domček s odsuvnou strechou, vybaviť ho prístrojovo tak ako napríklad vyššie a druhá vec je prekonať problémy, ktoré sú so serióznou vedeckou prácou vo fotometrii hviezd jednoznačne spojené. Máme ich na šťastie za sebou a pre poučenie našich nasledovníkov sme sa rozhodli ich na tomto mieste nielen pomenovať, ale i do určitej miery rozobrať. O čo ide

8 Obr. 3. Ak chceme pozorovať premenné hviezdy, v prvom rade musíme byť na oblohe doma. Základným predpokladom sú dobré hviezdne mapy, ako napríklad Szabó (2006). Nielen to. Totiž len tie najkvalitnejšie ďalekohľady majú absolútne presný navádzací systém (Precize GO TO) a aj ten doporučujeme čas od času skontrolovať, lebo technika je technika a má svoje záludnosti o ktorých tu žiaľ nie je priestor písať, iba skonštatujeme, že na oblohe je to tak ako v teréne pri pešej turistike. Darmo máme GPS, keď nevieme, že najbližší, na mape riadne vyznačený kopec sa volá napr. Sitárka a my stojíme presne pod ním. Tak isto na oblohe. Márne máme presné súradnice, keď nevieme, ktoré hviezdy a do akej magnitúdy našu premennú obklopujú a my ich ešte v hľadáčiku vidíme. Doporučujeme najmenej týždeň skúšobne merať a učiť sa poznávať okolie nami vybranej premennej, byť si stopercentne istý a pri ostrom pozorovaní už nezaváhať. Jednoducho je nevyhnutné mať to okolie, ako sa hovorí v oku. Ďalším faktorom je výber objektu. Ľubovoľne slabé objekty pozorovať nemožno, čo ako sú zaujímavé. Objekt, ktorý chceme pozorovať jednoducho musíme vidieť v hľadáčiku fotoaparátu, ktorý je resp. mal by byť namontovaný na hlavnom ďalekohľade. Základom je totiž nastavenie sa na objekt a to je bez vizuálneho kontaktu s hviezdou podľa nás veľmi problematické. Čiže nepechoriť sa na objekty štrnástej magnitúdy, pretože sú zaujímave, ale vybrať si najmenej z tisícky rovnako zaujímavých, podstatne jasnejších objektov. Tie slabé a zaujúmavejšie nechať kolegom s lepším prístrojovým vybavením. Ako každý vie, obloha sa otáča. Zimné súhvezdia sú iné, ako tie jarné. Ak vynecháme objekty okolo Polárky, musíme rátať s tým, že objekt nám môže zapadnúť v najzaujímavejšej fáze pozorovania. Preto si volíme viacero objektov, rozložených po oblohe a v danej dobe roka vyberáme tie o ktorých vieme, že nám zapadnú okolo svitania tak, aby sme plne využili aj tak u nás pomerne krátke pozorovacie okná. Skutočnou pliagou pozorovaní sú problémy s chodom ďalekohľadu. Ako sme už informovali vyššie, nám sa podarilo spriahnuť ďalekohľad so systémom NextGuide, ktorý pracuje spoľahlivo a účinne koriguje prípadne nepravidelnosti v chode krokových motorov. Publikovanie výsledkov. Niekedy sa nedá inak, ako pozorovať kvôli pozorovaniam v nádeji, že sa v budúcnosti nájde niekto, kto naše merania zužitkuje. (napr. tandem Ticho de Brahe J. Kepler) ale na to sa spoliehať nedá a je potrebné myslieť aj na publikovanie výsledkov. Dnes na šťastie je minimálne na internete dosť priestoru pre publikovanie kvalitných výsledkov a myslíme si, že túto vec nie je treba ďalej rozoberať

9 Naviac tieto publikácie, čo i len na internete majú zaručene medzinárodný charakter a URČITE sú pre niekoho zaujímavé, potrebné a cenné. Nie je to na Slovensku všeobecne rozšírený prípad (nešvár) tzv. zborníka z medzinárodnej vedeckej konferencie, kde z jedného pracoviska prednáša každý a o inom a aby sme mali punc medzinárodnej akcie, tak si zavoláme niekoho z Čiech a vec je vybavená. Náš pozorovací program Pre hvezdáreň Júlia sme po viac ako dvojročnom hľadaní a konzultovania s kolegami z Čiech a Poľska vybrali pozorovací program, ktorý sa v tomto čase skladá z nasledovných hviezd ß Lyr AB And AI Dra AQ Psc i Boo SW Lyn SZ Cam V366 Cam V404 Peg VW Cep Ide prevažne o krátko periodické premenné zaujímavé z rôznych ako vedeckých, tak aj osobných pohľadov. Pre predkladanú prácu sme vybrali ukážku svetelnej krivky premennej i Boo. Ide o pomerne jasnú hviezdu sľubujúcu ako pekný pozorovací zážitok, tak aj nové vedecké výsledky. Nie je toho veľa, aspoň nie zatiaľ. Merania sú však dobré a hlavne podľa našich skúseností už vo vedeckej práci použiteľné. i Boo V-C V-C = 2,8002E ,632*x+745,7459*x^2-1,34-1,36-1,38-1,40-1,42-1,44-1,46-1,48-1,50-1,52-1,54-1,56-1,58-1,60-1,62 19,360 19,365 19,370 19,375 19,380 19,385 19,390 19,395 Obr. 4. Pozorovania hviezdnej sústavy i Boo v dvoch skúšobných intervaloch. JD Alebo niečo už lepšie, Merania VW Cephei z 31. mája 2012 od 22 hod, 17 minút do času, dokiaľ sa nezaplnila karta digitálneho fotoaparátu. Je to omnoho presnejšie, ale treba dávať pozor na všetko, okrem iného aj na kapacitu karty vo fotoaparáte či v počítači

10 -0,3 VW Cephei Máj 31-0,4-0,5-0,6 V - C -0,7-0,8-0,9-1,0-1,1 8,42 8,43 8,44 8,45 8,46 8,47 8,48 8,49 8,50 JD Obr. 5. VW Cephei vystupuje z minima dňa 31. mája Záver Historicky sme si akosi zvykli deliť záujemcov o astronómiu na profesionálov a na amatérov. Dnes by sme mohli povedať na tých, ktorý majú a na tých, ktorý nemajú prístup ku tým najšpičkovejším pozorovacím systémom sveta. No neznamená to, že inde, ako napr. v Garchingu sa veda nerobí. My však delíme astronómov na tých, ktorým sa chce a na tých, ktorým sa nechce. Je to tristné, ale je to tak. Svet, vedecký svet je tak ako aj vždy v minulosti bol a dlho ešte bude, doslova hladný po serióznom a systematickom pozorovaní a to ako v stelárnej astronómii, tak aj vo fyzike Slnka, či v oblasti medziplanetárnej hmoty. Sme toho názoru, že k tomu, aby ktokoľvek bol zaujímavý (pre spoluprácu) musí si vybrať (najlepšie po dohode na medzinárodnej úrovni) skutočne zaujímavý problém a pracovať. Ak samozrejme má už predtým aké také technické zariadenie k dispozícii. Technika zložená v debniach je nanič!!! Na Slovensku sa žiaľ často krát stretávame nielen s tými debniami, ale aj s tým, že ďalekohľad, čo ako kvalitný je imidžovka ku krbu alebo svedectvo pre čo najširšie okolie o finančných možnostiach dotyčného. V nádeji, že niekto postihnutý si tieto riadky prečíta ich píšeme. Aby takýchto prípadov bolo čo najmenej, rozhodli sme sa čo aj v staršom veku venovať sa serióznym pozorovaniam vybraných tesných dvojhviezd. Takým dvojhviezdam, ktorých pozorovania sú vedecky cenné no ich pozorovanie špičkovým observačným zariadením (napr. HST) sa podobá na resp. by bolo poľovačkou na vrabce s kanónmi. Seriózne vedecké poznatky sú na dosah ruky. Každému. Chce to ale chuť, vytrvalosť a spoluprácu. Spoluprácu ale s tými, ktorí o ňu stoja a ktorí sa na tzv. profesionálov a na tzv. amatérov nedelia. Použitá literatúra [1] Bahýl, V. Pastierovič, M.: The Júlia Astronomical Observatory and the Photography of the Planets of the Solar System. In zborník príspevkov z konferencie slovenských fyzikov, Banská Bystrica [2] Szabó Sándor: STAR-Guide, 2006, Castell Nova Verlag, Sopron, Ungarn, 139 strán. Poďakovanie Autor ďakuje grantovej agentúre KEGA za podporu, ktorej sa mu dostalo pri písaní tejto práce v rámci grantu KEGA č. K

11 SÚČASNÝ STAV EXPERIMENTOVANIA NA NAŠICH ŠKOLÁCH Marek Balážovič Fakulta Prírodných vied Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre Abstrakt: Príspevok sa zaoberá používaním experimentálnych metód vo vyučovaní fyziky a to na strane učiteľov aj študentov. Na základe dát prieskumu vykonaného prostredníctvom elektronického dotazníka medzi učiteľmi fyziky, ktorý zisťoval frekvenciu, použitie, účel experimentovania, motivačné a demotivačné faktory jeho používania na hodinách fyziky, frekvenciu a použitie experimentov medzi študentami, účelom experimentovania, bola vykonaná analýza súčasného stavu. Kľúčové slová: experiment, školská reforma, školský vzdelávací program, vyučovanie fyziky Úvod Nová koncepcia vzdelávania vytvorila novú tematickú štruktúru, ktorej sú prispôsobené činnosti učiteľa aj žiakov. V súčasnosti existuje dostatok informačných zdrojov, ktoré môžu pomáhať pri efektívnom napĺňaní nových cieľov hodiny a zároveň sú pre väčšinu pedagógov pomerne ľahko dostupné. V týchto či už knižných materiáloch alebo informácií z rôznych webových stránok existuje i bohaté množstvo experimentov všetkých druhov. Učiteľ si tak môže vyhľadať vhodný experiment, podľa toho, čo si daná téma vyžaduje. Napriek tomu je v praktickej výučbe častá absencia, čo i len jednoduchých pokusov. Dôvodom sú rôzne obmedzenia, ktoré prináša nevhodne nastavený systém slovenského školstva. Za účelom zistenia stavu realizácie experimentálnej činnosti na hodinách fyziky bol vytvorený krátky dotazník. Jeho cieľom bolo zistiť frekvenciu experimentovania na hodinách fyziky predovšetkým na stredných, ale aj základných školách. Dotazník zisťoval nielen častosť uskutočňovania experimentov zo strany učiteľov a žiakov, ale aj postoje pedagógov k tejto činnosti, účel za ktorým experimenty realizujú, obmedzenia a tiež zdroje, z ktorých čerpajú. Formulár dotazníka obsahoval 9 otázok, respektíve kategórií s možnosťou výberu. Dotazník uvádzame v prílohe. Keďže dosiaľ neexistuje databáza, ktorá by umožnila hromadne osloviť všetkých učiteľov fyziky (alebo aspoň ich väčší počet)a posielanie dotazníka listovou poštou pre veľkú skupinu škôl by bolo pomerne finančne náročné s nejasnou zárukou na odpoveď, boli formou u oslovené dve skupiny učiteľov. Prvú tvorila skupina, na ktorú sa nám podarilo získať priamy ový kontakt. Boli to učitelia, ktorý absolvovali študijno-pracovný pobyt v Cerne a ktorý zároveň vyučujú na základnej alebo strednej škole. Túto vzorku tvorilo 159 oslovených učiteľov. Súčasťou priamo oslovených bolo aj 35 bývalých študentov katedry fyziky, absolventov FPV UMB v Banskej Bystrici, ktorí sa uplatnili v pedagogickej praxi. Databáza kontaktov na týchto učiteľov bola získaná od RNDr. J. Raganovej pracujúcej na tamojšej katedre. Druhá skupina bola oslovená len zaslaním u na adresy riaditeľov škôl najmä gymnázií a v malom počte stredných odborných škôl. Týmto spôsobom bolo oslovených 170 škôl z Bratislavského, Nitrianskeho, Trnavského, Trenčianskeho Žilinského, Košického a Prešovského kraja. 1 Hypotézy Už pred uskutočnením dotazníka bolo stanovených niekoľko hypotéz týkajúcich sa experimentovania na hodinách fyziky. Na základe vlastných pozorovaní boli urobené nasledovné predpoklady: - 9 -

12 H1: Učitelia používajú experiment na hodinách len zriedka. H2: Obmedzením pre experimentovanie na hodinách je najmä nízka časová dotácia pre hodiny fyziky a vzhľadom ku nej preexponovaný obsah stanovený štandardami. Učiteľov obmedzuje aj zlý stav pomôcok a prostriedkov, ktoré sú potrebné k realizácii experimentov. H3: Experimentálna činnosť študentov je taktiež nízka a je spätá najmä s realizáciou praktických cvičení. Študenti realizujú experimenty s menšou častosťou ako ich učitelia. H4: Učitelia čerpajú informácie pre svoje experimentovanie najmä z webových stránok. Jednotlivé hypotézy sú navzájom prepojené. V dôsledku poslednej veľkej školskej reformy došlo k radikálnemu zníženiu hodín povinnej fyziky. Z obsahu vymizli laboratórne práce a teda aj forma dvojhodinoviek, na ktorých bolo možné uskutočňovať experimenty a merania. Problémom je aj skutočnosť, že Štátny vzdelávací program síce odporúča delené hodiny fyziky a prácu s menším počtom študentov, no na druhej strane to nenariaďuje a umožňuje školám realizovať hodiny fyziky s plným počtom študentov. Takáto forma prirodzene šetrí škole prostriedky a keďže je naše školstvo finančne do veľkej miery podvýživené, je logické, že riaditelia škôl siahajú po možnosti nedelených hodín. Ako ďalšie obmedzenie predpokladáme nedostatočnú vybavenosť. Školám už nie sú dodávané pomôcky hromadne a ich dopĺňanie je opäť obmedzené podmienkami školy. Žiadne, alebo len dosluhujúce niekoľko desaťročné pomôcky sú reálnym stavom na väčšine škôl. Ak žiaci nevidia experimentovať svojho učiteľa možno len ťažko predpokladať, že budú sami veľkými experimentátormi. Pokiaľ sa škole podarilo zachovať pre danú triedu dve hodiny fyziky po sebe, predpokladáme, že podstatná časť praktickej experimentálnej činnosti bude súvisieť s laboratórnymi prácami. Keďže na slovenskom trhu nie je veľká knižná alebo časopisecká ponuka s obsahom ľahko realizovateľných fyzikálnych experimentov, predpokladáme, že učitelia pri výbere experimentov vychádzajú najmä z ľahko dostupných a relatívne širokých zdrojov pre experimentovanie, ktoré sa nachádzajú na webových stránkach. 2 Spracovanie a vyhodnotenie výsledkov výskumu Na dotazník, ktorý bol súčasťou u odpovedalo celkovo 113 respondentov, čo je menej ako tretina k počtu odoslaných dotazníkov. Tento fakt odzrkadľuje problematickosť možnosti oslovenia učiteľov daného predmetu vo všeobecnosti. Realizovať kvalitný pedagogický výskum, alebo prieskum v oblasti vyučovania určitého predmetu je problémové a to práve z hľadiska možností oslovenia cieľovej skupiny, objektov a subjektov edukačného procesu. Efektívny nástroj, ktorý by umožnil oslovovať a následne reflektovať na vonkajšie podnety spoločnosti slovenských učiteľov stále chýba. Je otázne, do akej miery je táto vzorka objektívnou vhodnou vzorkou z pedagogického spektra, ktoré sa venuje na našich základných a stredných školách výučbe fyziky. Možno totiž predpokladať, že v tejto vzorke bol nadpriemerný počet aktívnejších učiteľov, ktorí majú záujem vzdelávať sa a hľadať nové metódy a formy vo vzdelávacom procese fyziky. Ďalším faktorom prispievajúcim k posilneniu pochybností z možnosti získania objektívnych výsledkov je malá početnosť odpovedajúcich. Pre sledovanie určitých trendov a tvorbu štatistických záverov zo získaných odpovedí by bol žiadanejší vyšší počet odpovedajúcich. Prvé tri otázky boli identifikačné, slúžiace na zaradenie respondentov do skupín podľa nasledovných kritérií: O1: Pohlavie Z celkového počtu 113 bolo 40 mužov a 73 žien. Aj keď je tu prevaha žien, vzhľadom k prefeminizovanému stavu školstva je vzorka 40 mužov pomerne vysokým zastúpením. Je to dané pravdepodobne aj vyšším podielom mužov, ktorí vyučujú fyziku oproti pomerom zastúpenia mužov v iných vyučovacích predmetoch

13 Graf 1: Štruktúra respondentov podľa pohlavia Pohlavie Počet % Muž Žena Celkovo Tab. 1: Štruktúra respondentov podľa pohlavia O2: Druh školy Prevažnú časť tvorili učitelia gymnázií (80%). Učiteľov zo základných škôl bolo 18 (16%) a učiteľov stredných odborných škôl 5 (4%) základná škola gymnázium 90 stredná odborná škola Graf 2: Štruktúra zastúpenia druhov škôl O3: Dĺžka pedagogickej praxe Respondentov tvorili učitelia s rôznou dĺžkou pedagogickej praxe. Od začínajúcich učiteľov s polročnou praxou až po učiteľov so 45 ročnou praxou. Priemerná pedagogická prax odpovedajúceho učiteľa bola 14 rokov. Údaj o pedagogickej praxi umožnil korelačné porovnanie dĺžky pedagogickej praxe a frekvenciu experimentovania. Ďalšie otázky boli orientované na experimentálnu činnosť učiteľov - frekventovanosť experimentov na hodinách zo strany učiteľa, názor na dostatočnosť uvedenej frekvencie, účelovosť experimentu, obmedzenia a faktory, ktoré by mohli rozšíriť vo väčšej miere experiment, ako súčasť hodiny fyziky. O4: Ako často realizujete na hodinách fyziky experimenty? Odpovede na túto otázku sú spracované v tabuľke č. 2 a výsledky uvádza aj graf

14 Graf 3: Frekvencia experimentov, ktoré realizuje na hodine učiteľ Frekvencia experimentovania Počet [%] každú hodinu raz do týždňa pár krát za mesiac len zriedka len na laboratórnych cvič. 3 3 Vôbec 0 0 Spolu Tab. 2: Frekvencia experimentov, ktoré realizuje na hodine učiteľ Je pozitívne, že medzi odpovedajúcimi sa nenašiel nikto, kto by na svojich hodinách experimenty neuskutočňoval vôbec. Najčastejšia odpoveď "párkrát za mesiac" predstavovala 42% zo všetkých odpovedí. Na jednej strane táto odpoveď berie optimizmus, na druhej strane nie je vôbec neočakávaná. Treba zdôrazniť, že v prípade, že by sa táto odpoveď vzťahovala na jednu skupinu študentov, by to neznamenalo nízku frekvenciu. Experimentovanie by mohlo byť uskutočňované takmer na každej hodine, keďže niektoré ročníky majú fyziku už len s hodinovou týždennou dotáciou. Toto by sme mohli stiahnuť aj na druhú najčastejšiu odpoveď raz do týždňa (27%). Aj na základe odpovedí z ďalšej otázky O5 je možné predpokladať, že odpovedajúci uvádzali svoju experimentálnu činnosť v rámci všetkých svojich vyučovaných skupín študentov. Z tohto pohľadu je zastúpenie najčastejšej odpovede "párkrát za mesiac" veľmi negatívnym zistením. Pri zisťovaní frekvencie experimentovania nás zaujímala aj častosť experimentovania vzhľadom k dĺžke pedagogickej praxe. Výsledky tohto zistenia uvádza tabuľka. Frekvencia Prax každú hodinu 19,63 raz do týždňa 19,59 párkrát za mesiac 16,79 len na lab. cvičeniach 19,00 len zriedka 14,89 Tab. 3: Frekvencia experimentovania a dĺžka pedagogickej praxe (údaje získané ako aritmetický priemer praxe respondentov, ktorý uviedli túto možnosť) Hodnoty pedagogickej praxe zodpovedajú aritmetickým priemerom dĺžky praxe v skupine učiteľov s daným typom odpovede. Pre zvýšenie relevancie získaných údajov uvádzame nasledovný graf,

15 ktorý vyjadruje koreláciu medzi frekvenciou experimentovania a dĺžkou pedagogickej praxe, pričom okrem priemernej hodnoty praxe uvádza aj strednú kvadratickú odchýlku z daných údajov. Hodnota pedagogickej praxe učiteľov, ktorí realizujú experimenty len na laboratórnych cvičeniach nie je grafický vyobrazená, keďže hodnota troch odpovedajúcich nie je štatisticky významná a nemá potrebnú relevantnú výpovednú hodnotu. frekvencia 1 každú hodinu 2 raz za týždeň 3 párkrát za mesiac 4 zriedka Graf 4: Frekvencia experimentov, ktoré realizuje na hodine učiteľ v závislosti od dĺžky jeho pedagogickej praxe so zobrazením intervalu spoľahlivosti, ktorý reprezentuje stredná kvadratická odchýlka. Z hodnotenia uvedenej závislosti možno vypozorovať mierny trend závislosti frekvencie experimentovania od dĺžky praxe. Z uvedeného trendu vyplýva, že častejšie experimentovanie realizujú učitelia s dlhšou pedagogickou praxou. Najmenej často realizujú experimenty učitelia s najkratšou praxou. Toto zistenie by mohlo mať logické odôvodnenie v skúsenostiach, ktoré stoja na strane profesionálne starších učiteľov. Na druhej strane sa ponúka otázka, prečo noví učitelia tak málo experimentujú a či ich štúdium na vysokej škole dostatočne pripravilo na praktickú činnosť v podobe predvádzania experimentov na hodinách. Podobné zistenia by mohli vyvolať diskusiu v štruktúre vzdelávania a prípravy ďalších učiteľov na fakultách s pedagogickým zameraním. O5: Považujete túto frekvenciu za dostatočnú? Ďalšia otázka zisťovala postoj a spokojnosť učiteľov s vlastnou frekvenciou experimentovania na hodinách. Až 68% respondentov uviedlo, že svoju experimentálnu činnosť na hodine nepovažuje za dostatočnú. Tento výsledok nás privádza k záverom, že učiteľom nechýba presvedčenie o

16 dôležitosti a úlohe experimentu vo vyučovaní, ale skôr podmienky na to, aby takúto činnosť vyvíjali. Obmedzenia, ktoré bránia učiteľom pri experimentovaní zisťovala otázka O7. O6: Experimenty využívate predovšetkým ako prostriedok Časť dotazníka O6 zisťovala, za akým účelom používajú učitelia experimenty najčastejšie. Z výsledkov vyplýva, že najviac učiteľov (56 %) využíva experimenty na znázornenie skúmaného javu, či jeho vlastností. Každý experiment samozrejme obsahuje súčasne viacero funkcií, aj keď zámer, s ktorým je realizovaný, môže dať jeho funkciám rôznu váhu. Druhou najčastejšou odpoveďou bolo použitie experimentu ako nástroja na objavovanie daného javu (18%). Keďže väčšina ľudí sa zapamätáva niečo nové pri vlastnom skúmaní a objavovaní použitie experimentu s týmto zámerom veľmi vhodnou súčasťou edukačného procesu. Najmenej respondentov uviedlo použitie pre účely fixovania učiva (necelé 1%) a pre použitie experimentu ako súčasti diagnostickej činnosti (0%). Žiadny z odpovedajúcich učiteľov teda nehodnotí prácu študentov pri ich experimentovaní, čo naznačuje nízky dôraz hodnotenia praktických zručností študentov. Hodnotenie je stále zamerané predovšetkým na teoretické poznatky, čo vzhľadom k uskutočneným medzinárodným prieskumom, ktoré odzrkadlili nízku schopnosť našich študentov praktických aplikácií naučenej teórie, nie je dobré. Účel experimentovania Počet [%] motivácie študentov názornosti skúmaného javu, vlastnosti overenia skúmaného javu, vlastnosti objavovania skúmaného javu, vlastnosti fixovania učiva 1 1 diagnostiky študenta 0 0 Spolu Tab. 4: Účel experimentovania na hodinách fyziky diagnostiky študenta 0 funkcia experimentu fixovania učiva objavovania skúmaného javu, vlastnosti overenia skúmaného javu, vlastnosti názornosti skúmaného javu, vlastnosti motivácie študentov 16 Graf 5: Účel experimentovania na hodinách fyziky O7: Čo by najviac prospelo častejšiemu experimentovaniu z vašej strany? počet respondentov

17 Učitelia v odpovediach na otázku O5 prejavili nespokojnosť s početnosťou uskutočňovaných experimentov na hodinách fyziky. Otázka O7 nepriamo zisťovala, čo bráni učiteľom častejšie experimentovať, respektíve čo by prispelo k zvýšeniu tejto činnosti. Faktor Počet [%] lepšia motivácia 8 7 lepšie materiálové vybavenie Viac času na hodine Viac informačných zdrojov 3 3 nič, experimenty nie sú dôležité 0 0 Iné Spolu Tab. 5: Faktory, ktoré by mohli potenciálne zvýšiť experimentovanie na hodinách Iné 16 nič, experimenty nie sú dôležité 0 Potreba viac informačných zdrojov viac času na hodine 3 42 lepšie materiálové vybavenie 44 lepšia motivácia počet respondentov Graf 6: Faktory, ktoré by mohli potenciálne zvýšiť experimentovanie na hodinách Do popredia v uvádzaných odpovediach vystúpili predovšetkým potreby lepšieho materiálového vybavenia školy (39%) a časová potreba (37%). Učiteľom teda chýbajú potrebné funkčné pomôcky a čas, ktorý by dal priestor pre predvádzanie experimentov. Experimentálna činnosť vyžaduje samozrejme okrem času, ktorá je mu venovaná na hodine aj čas pred hodinou k starostlivej príprave experimentov a neskôr po hodine k demontovaniu a uloženiu pomôcok. Príprava vhodného experimentu tak môže výrazne predĺžiť prípravu na hodinu. K takejto práci je potrebná určite aj motivácia učiteľa. Len 7 % učiteľov odpovedalo, že chýbajúca motivácia v podobe bližšie nešpecifikovanej odmeny by prispela najviac k zvýšeniu ich experimentálnej aktivity. Pravidlá pre odmeňovanie učiteľov alebo hodnotenie celkovej ich práce dnes nie sú nastavené takým spôsobom, že by efektívne rozlišovali medzi aktívnym a neaktívnym pedagógom. Napriek tomu, že každý pedagogický zamestnanec podľa nového školského zákona podlieha kontrole zo strany priamych nadriadených, ktorý o ňom raz ročne musia vytvoriť písomné hodnotenie, kontroly prebiehajú často len formálne a hodnotenia vedení nevedú k objektívnym záverom. Problematika hodnotenia a diferencovania oceňovania učiteľov na základe ich reálnej vyvíjanej pracovnej aktivite patrí z nášho pohľadu ku kľúčovým, ale zároveň doposiaľ nefungujúcim a slabým miestam školského systému. Pomerne zastúpenou bola aj odpoveď "Iné", ktorá umožnila respondentom odpovedať otvorenou odpoveďou

18 Zaujímala nás tiež korelácia medzi frekvenciou experimentovania a faktormi, ktoré učitelia uvádzali ako tie, ktoré by zvýšili ich frekvenciu. Podľa našich zistení učiteľom, ktorí experimenty realizujú s malou frekvenciou, t.j. len zriedka, alebo len na laboratórnych cvičeniach nechýba motivácia. Tým, čo experimenty realizujú často chýbajú predovšetkým pomôcky a percentuálne vysoko zastúpeným bol aj časový faktor. Naopak títo učitelia neuvádzajú, že by im k častejšiemu experimentovaniu bránili nedostatočné informačné zdroje, alebo návody na experimentovanie. Z týchto zistení by sme sa mohli domnievať, že ďalšie metodické materiály využiteľné pre experimentujúcich učiteľov nie sú až také potrebné. Avšak primárne faktory ako sú čas a pomôcky opätovne vedú k potrebe predstavenia takých experimentov, ktoré nie sú náročné ani časovo, ani materiálne. Ideálnymi sa preto javia najmä videoexperimenty a jednoduché experimenty realizovateľné s bežne dostupnými pomôckami. O8: Ako často realizujú experimenty vaši študenti? Odpovede vyhodnocuje tabuľka Tab. 6 a graf Graf 7. V odpovedi na túto otázku bola najzastúpenejšou rovnaká odpoveď, ako v prípade zisťovania frekvencie experimentovania zo strany učiteľov. Až 46% uvádza, že ich študenti experimentujú len pár krát za mesiac. Tu je už ale pravdepodobnejšie, že učitelia pri volení odpovede na túto otázku mali predstavu konkrétnej študijnej skupiny, čo už k vyššie uvedenému nízkemu zastúpeniu hodín fyziky znamená pomerne časté experimentovanie. Frekvencia Počet [%] každú hodinu 7 6 raz do týždňa pár krát za mesiac len zriedka len na laboratórnych cvičeniach Vôbec 1 1 Spolu Tab. 6: Frekvencia experimentovania študentov vôbec 1 len na laboratórnych cvičeniach 36 frekvencia len zriedka párkrát za mesiac raz do týždňa 12 každú hodinu 7 Graf 7: Frekvencia experimentovania študentov Až 36 respondentov však uvádza, že študenti experimentujú len na laboratórnych prácach. Keďže laboratórne práce sa stávajú kvôli novej štruktúre hodín minulosťou je tu vysoká pravdepodobnosť zníženia experimentálnej činnosti pri tejto tretine odpovedajúcich počet respondentov

19 Zaujímal nás tiež vzťah medzi frekvenciou experimentovania učiteľov a frekvenciou experimentovania ich študentov. Existuje predpoklad, že žiak robí to, čo vidí u svojho učiteľa. Ak ten experimenty nerealizuje je ťažké domnievať sa, že jeho vlastní študenti budú venovať čas tejto činnosti a ak predsa, očakávali sme nižšiu častosť experimentovania žiaka ako jeho učiteľa. Ako prvé sme urobili jednoduché porovnanie frekvencií experimentovania učiteľa a študenta a to tak, že sme frekvenciám pridelili číselné hodnoty (1 každú hodinu, 2 raz za týždeň, 3 pár krát za mesiac, 4 zriedka, 5 len na laboratórnych cvičeniach, 6 vôbec) a následne sme urobili rozdiel medzi frekvenciou experimentovania študentov a frekvenciou experimentovania ich učiteľov. Kladné hodnoty tohto rozdielu reprezentujú nižšiu častosť experimentovania študentov, záporné hodnoty vyššiu a nulovú hodnotu predstavuje skupina, v ktorej študenti realizujú experimenty s rovnakou častosťou ako ich učitelia. Početnosti uvádza nasledujúci graf. f š - f uč Graf 8: Početnosti frekvenčných rozdielov medzi experimentovaním študenta a jeho učiteľa Z uvedeného rozdelenia je vidieť, že väčšina študentov realizuje svoje experimenty menej často, ako ich učitelia. Skupinu študentov, ktorí experimentujú častejšie ako ich učitelia (menšia hodnota ako nula) podľa zistených údajov tvorí len 3,5 % z uvedenej vzorky. 36 % študentov realizuje svoje experimenty s rovnakou častosťou ako ich učitelia a až 69.5 % študentov tu vykazuje nižšiu častosť experimentovania. Komplexnejší pohľad ponúk graf 9. Uvádza početnosti jednotlivých dvojíc frekvencií experimentovania učiteľa a jeho študentov. Frekvencia experimentovania je opäť reprezentovaná číselnými hodnotami 1 5 s rovnakou náležitosťou ako v predošlom grafickom zobrazení. Na grafe možno sledovať vyššie zastúpenie frekvenčných dvojíc, v ktorých frekvencia experimentovania študenta je hodnotovo nižšia ako frekvencia jeho učiteľa. Vystupujúce početnosti a ich maximá odzrkadľujú tento trend svojim diagonálnym smerovaním so smernicou väčšou ako jedna Učiteľ 4 Študenti Graf 9: Početnosti frekvenčných dvojíc experimentovania študenta a jeho učiteľa

20 09: Zdrojom informácií a nápadov pre vaše experimenty sú najmä Záver dotazníku zisťoval zdroje, z ktorých učitelia čerpajú informácie pre svoje experimentovanie. Najčastejšie uvádzaná odpoveďou boli internetové zdroje - web stránky (39%). Druhým najčastejším zdrojom boli učebnice fyziky (19%). Pomerne rovnako využívanými zdrojmi je pre učiteľov odborná literatúra (16%) a poznatky z konferencií (17%). Najmenej učitelia využívajú CD/DVD nosiče (9%). Tento stav je odrazom rozšírenosti a dostupnosti jednotlivých zdrojov. Učitelia, ktorí majú aspoň základné zručnosti pre prácu s internetom si poľahky nájdu experiment na webových stránkach, ktoré sú najrýchlejšie dostupným zdrojom v spojitosti so širokým obsahom návodov k experimentovaniu. Pokiaľ je učiteľ jazykovo zdatný a ovláda napríklad angličtinu, respektíve si vie cudzojazyčné návody preložiť sú jeho možnosti ešte širšie a môže nájsť experimentálne nápady snáď pre každú tému z obsahu vzdelávania. Zdroj Počet [%] učebnice fyziky iná odborná literatúra (knihy, časopisy) web stránky CD/DVD nosiče 10 9 Poznatky z konferencií Spolu Tab. 7: Zdroje informácií používané učiteľmi pri príprave experimentov poznatky z konferencií 19 CD/DVD nosiče 10 Zdroj web stránky 44 iná odborná literatúra (knihy, časopisy) 18 učebnice fyziky počet respondentov G10: Zdroje informácií používané učiteľmi pri príprave experimentov V školách sa momentálne používajú kombinácie starých a nových učebníc. Staré s výnimkou častí venovaných laboratórnym cvičeniam neobsahujú až toľko priamych návodov na experimentovanie. Nové učebnice síce navádzajú častejšie k experimentálnej činnosti, ale pri mnohých experimentoch, či meraniach odkazujú na prácu s modernými meracími zariadeniami, ktoré zas mnohé školy nemajú. Predpokladáme prevahu používania starších učebníc a pomerne veľké zastúpenie tohto zdroja v odpovedi na O8 možno odôvodniť tým, že mnohí z odpovedajúcich uvádzali práve laboratórne cvičenia ako jediný prípad experimentovania. Používanie iných zdrojov v podobe odbornej literatúry je zastúpené nízko. Táto možnosť je pravdepodobne daná úzkym

21 trhom a ponukou literatúry tohto typu, ktorá by bola v slovenčine. Učitelia, ktorí sa zúčastňujú konferencií môžu naberať a porovnávať skúsenosti s experimentovania z rôznych podujatí organizovaných aj za týmto účelom. Je to napríklad Festival Fyziky - Tvorivý učiteľ fyziky každoročne organizovaný v Smoleniciach, konferencia Šoltésove dni a iné. Záver Hypotéza H1, predpokladala, že učitelia experimentujú na svojich hodinách len zriedka. Odpoveď len zriedka uviedlo len 12% odpovedajúcich. V možnostiach však bola táto odpoveď zaradená v postupnosti za možnosťou pár krát za mesiac (najčastejšie uvádzaná odpoveď), to znamená, že uviesť odpoveď zriedka znamenalo, že respondent robí experimenty menej ako pár krát za mesiac. Treba však podotknúť, že len občasné uskutočňovanie experimentov počas mesiaca je taktiež zriedkavé, na základe čoho možno hypotézu H1 považovať za potvrdenú. Nepriamo ju potvrdili aj odpovede z otázky O5, kde učitelia uvádzajú nespokojnosť s frekvenciou vykonávania experimentov na hodinách fyziky. Hypotéza H2, ktorá predpokladala v čom je podstata obmedzení pre experimentovanie na hodinách sa taktiež potvrdila. Učitelia uviedli ako najväčšiu potrebu pre zvýšenie experimentálnej činnosti zvýšenie časovej dotácie a nedostatočný stav a zabezpečenie pomôcok a prostriedkov, ktoré sú potrebné k realizácii experimentov. Potvrdené boli aj ostatné dve hypotézy H3 a H4. Študenti experimentujú na hodinách len zriedka a keď tak predovšetkým na laboratórnych cvičeniach. V poslednej otázke uviedli učitelia, že čerpajú informácie pre svoje experimentovanie najmä z webových stránok, čo je v zhode s našimi predpokladmi. Literatúra [1] Štátny vzdelávací program pre gymnáziá (ISCED3A) vyššie sekundárne vzdelanie. Ministerstvo školstva Slovenskej republiky - Štátny pedagogický ústav. Online ika%20isced%203.pdf. [citované ] Adresa autora Mgr. Marek Balážovič Fakulta Prírodných vied Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre Tr. A. Hlinku 1, Nitra Gymnázium Ľ. Štúra Hronská 3, Zvolen balazovicm@gmail.com

22 INTERAKTÍVNE ANIMÁCIE V PROSTREDÍ COACH ŠIKMÝ VRH Lukáš Bartošovič, Peter Demkanin FMFI UK Bratislava Abstrakt: V tomto článku prinášame niekoľko možností využitia interaktívnej fyzikálnej animácie ako efektného a účinného prostriedku na demonštráciu fyzikálneho javu. Tieto sú ilustrované na simulácii šikmého vrhu v prostredí CMA Coach 6. Aktivita je určená pre vyučovanie fyziky na gymnáziu. Môže slúžiť ako moderná pomôcka pri prezentovaní témy Pohyby telies v homogénnom tiažovom poli Zeme" a rovnako je vhodná aj pre zatraktívnenie samotného vyučovania. Prácu s vytvorenou aktivitou predvedieme na názornej ukážke. Cieľom nášho príspevku je tiež v krátkosti predstaviť časti prostredia softvéru Coach 6, Modelovanie a Interaktívne animácie. Prezentujeme tiež skúsenosti s prácou s učiteľmi základných a stredných škôl v tomto prostredí. Kľúčové slová: interaktívna animácia, vyučovanie fyziky, šikmý vrh Na úvod Často sa hovorí, že vo fyzike je potrebné dodržiavať zásady jednoduchosti, názornosti, logickosti, uplatňovať praktické činností žiakov, prepájať teoretické a empirické metódy v poznávaní žiakov. Rôzne formy školského experimentu patria medzi už dávno známe metódy používané najmä v prírodovedných disciplínach. Prínos empirických metód je však mnohokrát nedocenený, a preto sú málo využívané. (napr. Lapitková, 2012) Optimisticky vyznieva tlak na učiteľa fyziky (a nielen fyziky) učte s využitím IKT". Výučba s podporou digitálnych technológií však často vyústi do používania technológií len pre technológie samotné v zmysle lebo je to moderné". Mnohokrát sa tiež pristupuje ku vytváraniu nástrojov, ktoré nie sú pedagogicky dobre opodstatnené. Pritom sa vo fyzikálnej komunite už pomerne slušnú dobu využívajú moderné technológie mnohými vysoko interaktívnymi a efektívnymi spôsobmi. Za všetky spomeňme napr. počítačom podporované merania a experimenty, ktoré odbremenili študentov od nezáživného zberu dát, aby mohli venovať viac času pochopeniu príslušných fyzikálnych predstáv. Do vyučovania sa dostáva aj videomeranie (napr. Horváth, 2011). Svoje miesto tu tiež majú interaktívne animácie i simulácie s fyzikálnym kontextom. Tieto sú jedným zo spôsobov, ako je možné zvýšiť záujem o prírodovedné a technické predmety. Učiteľ má jedinečnú možnosť využiť obrovský potenciál moderného hardvéru a softvéru slúžiaceho na podporu vyučovania fyziky a tiež môže ťažiť z postoja študentov k týmto technológiám - spojí tak príjemné s užitočným. Získa efektívny a mocný nástroj - u študenta podporí učenie a interaktívne zapájanie sa do diania na vyučovacej hodine. Vyššie spomenuté zásady jednoduchosti, názornosti a logickosti uplatňujeme používaním vyššie spomenutých aplikácií digitálnych technológií v jednom ucelenom balíku softvéru Coach 6. 1 Fyzikálne animácie pre a proti Pokúsme sa zhrnúť niekoľko základných vlastností interaktívnych fyzikálnych animácií, ktoré sú výhodami oproti reálnemu experimentu či pozorovaniu skutočného javu a ktoré vedú k zlepšeniu procesu poznávania. Neskôr sa dotkneme aj rizík, ktoré sú spojené s nevhodným používaním interaktívnych animácií vo vyučovaní fyziky. Začnime voľnou definíciou pojmu učenie sa podľa W. Harlen (Harlen, 2009). Učenie sa je dávanie zmyslu skúsenostiam dieťaťom v spolupráci s inými. Získavanie skúseností prostredníctvom práce s matematickými vzťahmi, čítaním slovných formulácií či statických obrázkov pre žiakov nie je dostatočne príťažlivé (Baník, n.d.) a často je pre žiaka neprekonateľne abstraktné. Pritom najzákladnejšou formou ľudského poznávania je získavanie skúseností tak, že je zapojených

23 viacero zmyslov. Dobre pripravená a dobre aplikovaná aktivita či animácia môže viesť k žiackej skúsenosti a pôsobí na žiakove zmysly viacerými informačnými kanálmi, než bežné formy prezentovania fyzikálnych javov. Pravdaže, môže iba dopĺňať skúsenosti získavané v bežnom živote a v procese vyučovania reálnymi pokusmi (pozorovaniami, meraniami a experimentmi. Z didaktického hľadiska (Baník, 1993), (Baník, 1995) je cenné, ak sa žiaci sami podieľajú na príprave a následne aj realizácii experimentu. V ideálnom prípade by žiaci okrem zážitku z procesu objavovania mali získať aj trvalejší poznatok či vedomosť. Tento účinok je však často zmarený buď náročnosťou experimentu, alebo jeho (ne)pochopením - priebeh a/alebo interpretácia výsledkov nemusí byť zrejmý každému zo zúčastnených žiakov. Príkladom môže byť známe predvádzanie reálneho a funkčného modelu elektrického motora v demonštračnom experimente. Žiaci môžu jasne vidieť, že niečo sa otáča, ak tam máme elektrický prúd a magnetické pole (vidia farebne odlíšené trvalé magnety statora) ale väčšina z nich nevie vysvetliť, na akom princípe motor funguje. Premietnime im však po demonštrácii jeho činnosti animáciu, ktorá ukazuje princíp činnosti jednoduchého elektromotora a to postupne v niekoľkých krokoch, aby bolo možné vnímať sled jednotlivých kľúčových udalostí. Výsledkom je (môže byť) zlepšenie pochopenia tohto fyzikálneho deja. Je všeobecne známe, že žiakov najlepšie upúta to, čo si môžu sami vyskúšať. Animáciu činnosti elektrického motora teda vyhotovíme v interaktívnej podobe - žiaci budú môcť napr. zmeniť orientáciu magnetických pólov statora, polaritu elektrického prúdu, prípadne otáčky (napätie). Interaktívne animácie tiež nájdu uplatnenie, ak sú určité pomôcky nedostupné, alebo dostupné iba v obmedzenom množstve - všetci žiaci sa tak môžu pomerne jednoducho zúčastniť experimentovania. Učiteľ predvedie reálny experiment, ktorý potom žiaci zrealizujú či ovplyvnia prostredníctvom animácie. Veľkou výhodou je aj možnosť riešiť úlohy viazané na úlohové situácie, ktoré sú charakteristické meniacimi sa podmienkami sprevádzajúcimi priebeh javu či deja. Dynamický model animácie nám tak v školskej fyzike poskytuje priestor na vybehnutie poza hranice typických a bežných školských úloh, ktoré sa zaoberajú idealizovanými javmi. Máme tak šancu na vyriešenie mnohých reálnych situácií z bežného života. Zložitejšie výpočty a matematické postupy, s ktorými sa vo fyzike stretávame pomerne často, nemusia byť práve najľahšie riešiteľné, či už ručne alebo v tabuľkovom procesore. V takých prípadoch je vhodné použiť špecializovaný počítačový matematický (simulačný) program. Pre účely školskej fyziky považujeme za najvhodnejšie komplexné riešenie - softvér CMA Coach 6, presnejšie jeho súčasti Modelovanie a Interaktívne animácie. V predchádzajúcom texte sme spomenuli niekoľko výhod interaktívnych fyzikálnych animácií, pozrime sa však v krátkosti aj na tie vlastnosti interaktívnych animácií, ktoré by mohli byť prekážkou v dosiahnutí nami stanoveného cieľa teda na možné riziká vyplývajúce z nesprávne zvolených metód pri ich používaní, alebo nevhodne vybraných samotných animácií. To, že sa prezentácia experimentu či fyzikálneho javu deje prostredníctvom PC, môže niektorých žiakov odviesť od pôvodného cieľa, napríklad sa môžu sústrediť na aspekty softvéru alebo animácie, ktoré nesúvisia priamo s javom, ktorý chceme pozorovať, alebo s experimentom, ktorý v tejto forme chceme realizovať. Hrozí tiež, že budú len bezcieľne a pasívne pracovať s animáciou. V prípade, že animáciu obsluhuje jeden žiak z danej skupinky, môže sa stať, že sa tí ostatní prepnú z režimu aktivita do režimu kino. Je pozitívne, ak žiaci majú radosť z experimentovania a vzdelávania sa, keď to celé berú ako hru. Ak sa však obmedzia iba na tento aspekt, výsledný efekt bude skôr kontraproduktívny. To, že je animácia prenosom skutočného javu do prostredia nejakého softvéru, môže byť od samotného základu jej nevýhodou v reálnom svete sa všetko deje v súlade so zákonitosťami prírody, vo virtuálnom ich nahradzujeme nejakým modelom. Model je istou matematickou reprezentáciou, zidealizovaním či priblížením - to

24 znamená, že sa dopúšťame väčšej či menšej nepresnosti. Okrem zámernej idealizácie javu sa tiež niekedy stáva, že do modelu javu vnesieme našu miskoncepciu, chybu, omyl, ktoré môžu viesť k správaniu sa modelu, ktoré nie je zlučiteľné s realitou. Animácia sa tak môže zmeniť z nášho pomocníka na príťaž. Vymenovali sme niekoľko pozitívnych aj menej pozitívnych vlastností interaktívnych fyzikálnych animácií - teraz sa zaručene nájde ktosi, kto povie OK, toto všetko je pekné, ale nepovedali ste nič revolučné metóda využitia fyzikálnej animácie vo vyučovaní je už odskúšaná a overená. A na internete existuje množstvo voľne dostupných a plne funkčných simulácií a animácií s fyzikálnym podtextom. Je to tak, aktivity s využitím animácie nie sú ničím prevratne novým, ku samotnému šikmému vrhu máme rovno dva bezplatné internetové aplety od nemeckého autora Waltera Fendta a tiež od tímu z univerzity v americkom Colorade, v súbore interaktívnych simulácií s názvom PhET Obe simulácie majú mnoho skvelých vlastností, prvá však nedokáže počítať s odporom prostredia a neobsahuje ani sprievodný text. Môže teda slúžiť len ako efektná demonštrácia, pomôcka pre učiteľa. Žiaci samotní po nej siahnu nanajvýš ako po rýchlom riešiteľovi nudných výpočtových úloh z kinematiky. Aplet č.2 ide ďalej, ponúka atraktívne grafické prostredie, plne interaktívne a pohodlné ovládanie a dokáže tiež počítať s odporom vzduchu (dokonca si môžete zastrieľať s rôznymi vtipnými telesami, ako je napr. tekvica či ľudské telo). Tento aplet je kompletne preložený do slovenčiny a jeho súčasťou je aj množstvo sprievodných textov. Texty sú však v anglickom jazyku (zatiaľ chýba slovenčina - v dobe písania tohto článku), čo by na prvý pohľad až tak nevadilo učitelia novej generácie sa predsa neboja angličtiny a ich žiaci majú tento jazyk v malíčku. V tomto sa však skrýva problém je priestor na preklad do slovenčiny? Času na hodinách fyziky je málo, prekladať priamo na hodine sa javí ako neefektívne (možno s výnimkou bilingválnych gymnázií či jazykových tried). Tvorba slovenského sprievodného materiálu zas kradne učiteľov voľný čas, takže to vo väčšine prípadov vzdá a obmedzí sa len na demonštráciu. Napriek tomu si myslíme, že je dôležité, aby bol učiteľ nielen používateľ, ale aj tvorca interaktívnych aktivít. No čo keby dostal porovnateľne kvalitnú simuláciu/aplet kompletne s premysleným slovenským sprievodným textom a pripravenú na využitie? Dokonca upraviteľnú na úrovni bežného používateľa PC. Túto úlohu, vytvoriť aktivitu popísanú v predchádzajúcom texte, sme si hodili na plecia my a v prostredí programu Coach 6 sme pripravili niekoľko aktivít, z ktorých jednu predstavíme bližšie v ďalšom texte. 2 Modelovanie pohybov telies v homogénnom tiažovom poli Zeme Na ilustráciu predchádzajúcich úvah, a aby sme ukázali, že naozaj je možné vytvoriť interaktívny fyzikálny aplet bez znalostí programovania, pripravili sme aktivitu s názvom Lopta v blízkej dobe by mala byť dostupná na v časti aktivity, prípadne na adrese autorov článku

25 Obr. 1 Celkový pohľad na užívateľské rozhranie aktivity Ťažko by sme našli žiaka - chlapca, ktorý by niekedy nehádzal kameňom vrhať skalu možno len tak, ale i so snahou dohodiť na určité miesto..., alebo čo najďalej..., prípadne čo najvyššie. Väčšine žiakov imponuje, ak vidia kamaráta, ktorý má fakt dobrú techniku hodu. Svoje tiež zohráva aj súťaživosť na hodinách telesnej výchovy. Pozrime sa teraz na problematiku z fyzikálneho pohľadu - simulovať hod kameňa reálnou ľudskou rukou je zaiste zložité, uvedomme si, že začiatočná rýchlosť hodu, štartovná" poloha a ani uhol tu nezvyknú byť konštantné. Situáciu si preto zjednodušme na idealizovaného a štylizovaného panáčika-športovca, ktorý kope do lopty. V tejto aktivite si tiež ukážeme, ako je to so zanedbávaním odporu prostredia a čo do tejto oblasti priniesol pán fyzik Galileo Galilei. Možno sa spýtate - prečo sa utiekame k experimentu vo virtuálnom prostredí, keď by sme sa mali snažiť práve o opak reálne experimenty s reálnymi pomôckami, zasadené do reálnych situácií! Dôvodov je niekoľko a väčšina vyplýva zo súčasného postavenia fyziky v školskej praxi. Počet hodín, ktoré môžeme venovať vyučovaniu fyziky je značne obmedzený - sotva nám ostane čas na pár jednoduchých experimentov. Zatiaľ čo ak by sme sa rozhodli vykonať fyzikálny experiment pri téme z nadpisu článku, vyvstala by potreba ísť von z triedy napr. na školské ihrisko. Vykonali by sme hoci len pár hodov niekoľkými rôznymi loptami a loptičkami. Takto zrealizovaný šikmý vrh by bolo treba fyzikálne podchytiť, teda odmerať vzdialenosti, čas, určiť hmotnosti a priemery lôpt... No pokiaľ si tento čas nájdete, napríklad na školskom výlete, považujte tento článok za inšpiráciu zrealizovať v prostredí Coach videomeranie

26 Obr. 2 Okno s animáciou grafický výstup modelu Navyše, žiaci majú množstvo skúseností získaných mimo školského vyučovania, prípadne ak by sme uvažovali medzipredmetové vzťahy, dalo by sa nájsť isté prepojenie s hodinami telesnej výchovy (známy hod kriketovou loptičkou). Napriek spomenutým ťažkostiam v implementácii experimentov na hodinách fyziky sme sa pokúsili vniesť do vyučovania témy trochu viac reality paradoxne prostredníctvom virtuálnej reality, prostredníctvom multimediálne vybaveného PC. Nami pripravená interaktívna animácia v systéme Coach má pod kapotou matematický model, ktorý ráta aj s vplyvom odporovej sily prostredia (v tomto prípade je ním vzduch), pričom tento odpor môžeme zapnúť, alebo vypnúť a to len jednoduchým stlačením tlačidla (obrázok č.3). Model vychádza z 2. Newtonovho zákona pre pohyb telesa, upravených vzťahov pre výpočty pri šikmom vrhu a niekoľkých ďalších fyzikálnych zákonitostí. Je plne dynamický a pomocou ovládacích prvkov je možné meniť jeho parametre a v reálnom čase sledovať, ako vplývajú na priebeh trajektórie a ďalších parametrov letu. Obr. 3 Široké možnosti nastavenia začiatočných podmienok Grafickým výstupom modelu je interaktívna animácia a grafy, v prípade podrobnejšej analýzy sú k dispozícii aj tabuľky nameraných hodnôt veličín súvisiacich s animáciou. Interaktivita je zabezpečená pomocou okna s ovládacími prvkami, kde je možné nastaviť rôzne začiatočné podmienky a tak simulovať napr. vodorovný alebo šikmý vrh či voľný pád, posledne menovaný s určitým obmedzením vyplývajúcim z charakteru animácie (voľný pád a zvislé vrhy sme spracovali v inej, samostatnej aktivite, ktorá vychádza zo zjednodušenej verzie modelu z animácie šikmého

27 vrhu). Dôležitou súčasťou nášho výtvoru je tiež sprievodný text, ktorý žiaka uvedie do témy a objasní mu niektoré dôležité pojmy a súvislosti. Text sa nesnaží predkladať fakty na zlatej tácke, ale kladie množstvo otázok, nad ktorými keď sa zamyslíme, dopracujeme sa k faktom aj samostatne. Obr. 4 Príklad zadania zo sprievodného textu V aktivite sa nachádzajú aj zaujímavé úlohové situácie a tiež zadania príkladov v klasickom duchu. Predsa však s originálnym prístupom k riešeniu žiaci môžu prísť k výsledku aj prostredníctvom animácie. 3 Príklady možného využitia navrhnutej aktivity Ako už bolo spomenuté, táto interaktívna animácia je vďaka svojmu prepracovanému dynamickému modelu a širokým možnostiam nastavenia začiatočných podmienok použiteľná na simulovanie rôznych úlohových situácií z oblasti kinematiky šikmého vrhu a jeho obmien. Samozrejmosťou je modelovanie odporu prostredia (vzduchu), ktoré nám umožní priblížiť hoci aj nudné výpočtové cvičenie bližšie k realite napr. čo by sa stalo, keby sme šikmý vrh hmotného bodu zamenili za futbalovú loptu, do ktorej kopeme v reálnom prostredí kladúcom nezanedbateľný odpor? Ako prvé si nastavíme začiatočné podmienky v okne Nastavenia posuvníkmi navolíme uhol výkopu 45, začiatočnú rýchlosť 20 m/s a ostatné ovládacie prvky necháme tak. Spustíme animáciu (tlačidlom v hornej lište alebo klávesom F9) a v okne Animácia pozorujeme trajektóriu lopty, vektor rýchlosti a jeho zložky a tiež súradnice polohy. Do prázdnych okien nižšie si môžeme vložiť grafy (pomocou voľby Menu nástrojov, modrá šípka) a tak presnejšie odčítať potrebné fyzikálne veličiny pre jednotlivé etapy pohybu lopty. Je jasné, že keby sme toto skúsili systémom papier a ceruzka, výpočty by trvali podstatne dlhšie a riešenie úlohy by bolo dosť nezáživné, taktiež s malou výpovednou hodnotou. Nami navrhovaný postup radikálne skracuje dobu riešenia a dáva tak viac času na diskusiu a rozbor problému a môžeme vykonať viacero pokusov s rôznymi hodnotami začiatočných podmienok. Vráťme sa opäť do okna s nastaveniami a zapnime odpor prostredia pri nezmenených začiatočných podmienkach žiaci vidia, že trajektória pohybu lopty sa zmenila, môžu tiež pozorovať, že na túto zmenu vplýva aj priemer, hmotnosť a tvar lopty. Táto časť riešenia úlohy by bola klasickou formou prakticky neuskutočniteľná. A zručnosť v počítaní sa dá predsa trénovať aj inak. To však nie je všetko, vyššie uvedené zvládnu aj niektoré animácie dostupné na webe. Čo však nedokážu, a vo fyzike to považujeme za dôležitú vec, je práca s grafom či nameranými hodnotami (číslami). Po tom, ako si zakopeme do lopty, môžeme veľmi účinne využiť možnosti spracovania

28 experimentu pomocou grafov rôznych závislostí fyzikálnych veličín, väčšinou ako funkciu času rýchlosť, súradnice polohy, energia. Na tomto stavajú aj problémové úlohy a úlohové situácie, ktoré sa nachádzajú v sprievodnom texte aktivity. Spracovať možno aj samotný graf a určiť z neho množstvo zaujímavých fyzikálnych súvislosti a nazbierať či overiť si kopec fyzikálnych poznatkov. Ako príklad uveďme deriváciu grafu rýchlosti podľa času dostaneme zrýchlenie a na základe tohto údaju ľahko preukážeme, že šikmý vrh je zložený pohyb v smere osi x ako rovnomerný priamočiary, v smere osi y sa zase deje voľný pád, to je už pohyb zrýchlený. Umožnené tiež máme aj grafické integrovanie (určenie plochy vytýčenej grafom a osami súradnicovej sústavy). Vykreslený graf taktiež môžeme preložiť funkciou (fitovať) a tak ukázať, prečo niektoré vzorce vyzerajú tak a ďalšie onak. Ďalšou šikovnou vlastnosťou tejto animácie je možnosť riešiť zadania, ktoré by papierovej metóde a rovniciam s y, x, h a pod. odolávali značnú dobu. Animácia nás dokonca môže inšpirovať k osvojeniu si praktickej metódy riešenia úloh nielen so šikmým vrhom pomocou zákona zachovania mechanickej energie. Táto metóda je podrobnejšie rozpracovaná a ilustrovaná na riešení úlohy v sprievodnom texte animácie, v časti Zákon zachovania mechanickej energie. 4 Skúsenosti s prácou učiteľov ZŠ a SŠ v prostredí Coach pri tvorbe interaktívnej animácie V tomto článku sme priniesli aj popísali hotovú interaktívnu animáciu pripravenú na používanie učiteľmi ZŠ i gymnázií. Špecifikom Interaktívnych animácií v prostredí CMA Coach je však veľmi jednoduchý spôsob tvorby takýchto animácií a ich upravovania pre vlastné potreby. Možnosti učiteľov ZŠ i SŠ sme zisťovali v rámci časti školenia učiteľov fyziky. Učitelia pod vedením lektora zrealizovali inštruktážnu aktivitu v trvaní približne 120 minút a potom dostali za úlohu vytvoriť animáciu pádu jabĺčka zo stromu, prípadne vodorovného vrhu lopty z okna budovy. Približne za minút učitelia takúto animáciu (založenú na vopred pripravenom modeli) pripravili. Niektorým sa podarilo dokonca pripraviť animáciu pádu balíka z letiaceho lietadla (na pustý ostrov v mori). Záver Týmto príspevkom sme chceli informovať o možnostiach zaradenia interaktívnych animácií do vyučovania fyziky. Aktivít, v ktorých má učiteľ prístup ku všetkým nastaveniam a k textom, či k označeniam veličín a objektov animácie. Práve táto dostupnosť často chýba interaktívnym animáciám voľne dostupným na poli internetu. Poďakovanie Príspevok vznikol s podporou MŠ SR, projekt APVV LPP , Prírodné vedy v ŠkVP a s podporou Univerzity Komenského, grant UK/287/2012, Interaktívne animácie v programe CMA Coach 6 vo vyučovaní fyziky. Zoznam bibliografických odkazov [1] BANÍK, R. a BANÍK, I. Fyzikálny experiment ako motivačný faktor I. Banská Bystrica: MC Banská Bystrica, ISBN [2] BANÍK, R. a BANÍK, I. Fyzikálny experiment ako motivačný faktor II. Banská Bystrica: MC Banská Bystrica, ISBN [3] BANÍK, I. Fyzikálne pokusy pre domáce objavovanie [online]. [cit ]. Dostupné na [4] DUBSON, M. a ADAMS, W. PhET Projectile Motion [online]. [cit ]. Dostupné na

29 [5] FENDT, W. Projectile Motion [online]. [cit ]. Dostupné na [6] HARLEN, W. Teaching, Learning and Assessing Science 5-12, SAGE, London, 2009 [7] HORVÁTH, P. Žiacke videomerania brzdných dráh automobilu, In: Tvorivý učiteľ fyziky IV, Equilibria, Košice, 2011 [8] KOUBEK, V., DEMKANIN, P. Modelovanie reálnych úlohových situácií vo vyučovaní fyziky. In: Šoltésove dni Bratislava, [9] LAPITKOVÁ, V. Fyzikálne vzdelávanie v systéme reformovaného vyučovania, In: Fyzika, základ vzdelávania a vedy, Verbum, Ružomberok, 2012 Adresa autorov Mgr. Lukáš Bartošovič, doc. RNDr. Peter Demkanin, PhD. Fakulta matematiky, fyziky a informatiky, Univerzita Komenského v Bratislave Mlynská dolina F Bratislava bartosovic@fmph.uniba.sk demkanin@fmph.uniba.sk

30 FYZIKA JE MOJA KAMARÁTKA Mária Beniačiková Univerzity Mateja Bela v Banskej Bystrici Fakulta prírodných vied, katedra fyziky Abstrakt: V príspevku sa venujeme príprave a realizácií podujatia Fyzika je moja kamarátka, ktoré sme vytvorili pre žiakov základných škôl. V úvodnej časti stručne prezentujeme výsledky prieskumu, na základe ktorého sme sa rozhodli zorganizovať dané podujatie. Druhá časť je venovaná príprave a realizácií podujatia. Stručne v nej opisujeme, aké boli naše ciele, kde a ako podujatie prebiehalo. Záver práce tvorí analýza dotazníkov, ktorá nám ponúkla spätnú väzbu od žiakov na naše podujatie. Kľúčové slová: základná škola, experimentovanie, fyzika Úvod V posledných rokoch prebieha v školstve niekoľko zmien. Tie zásadné sa týkajú reformy obsahu ako aj metód. Podľa platných dokumentov, ako je napríklad štátny vzdelávací program, by sa na hodinách malo viac experimentovať. Mnohé školy však nemajú vytvorené podmienky na experimentálnu činnosť, či už z priestorového, alebo materiálneho hľadiska. Preto sme ponúkli učiteľom a žiakom základných škôl možnosť zažiť netradičný deň plný náučného a zábavného experimentovania s kamarátkou fyzikou. Využili sme pritom laboratória katedry fyziky a pomôcky, ktoré máme k dispozícií. Našim cieľom bolo, aby žiaci prežili príjemný deň v laboratóriách, aby mali možnosť získať praktické zručnosti pri práci s fyzikálnymi pomôckami a experimentmi a aby sa fyziky nebáli, ale aby bola skutočne ich kamarátkou, ktorá ich sprevádza na každom kroku. Prieskum medzi žiakmi základných škôl V decembri roku 2009 sme pre účely bakalárskej práce robili medzi žiakmi základných škôl prieskum zameraný na zisťovanie informácií o experimentovaní žiakov na hodinách fyziky a o obľúbenosti predmetu fyzika. Prieskum sme uskutočnili dotazníkovou metódou. Výber respondentov bol čiastočne zámerný, pretože vybrané základné školy boli nám dostupné z nášho blízkeho okolia. Výber tried však bol náhodný dotazník vypĺňali tie triedy, ktoré mali práve v daný deň hodinu fyziky. Respondenti boli žiaci šiesteho až deviateho ročníka základných škôl v troch mestách: v Banskej Bystrici, v Liptovskom Hrádku a v Martine. Prieskumu sa zúčastnilo 208 respondentov. Medzi žiakmi bolo 98 chlapcov a 109 dievčat. Žiakov šiesteho ročníka (reformný ročník) bolo 74, žiakov siedmeho ročníka 68, žiakov ôsmeho ročníka 20 a žiakov deviateho ročníka 46 (v ostatných ročníkoch sa vyučovalo podľa starších učebných plánov a osnov). Dotazník obsahoval uzavreté a otvorené otázky. Skladal sa z niekoľkých častí: otázky týkajúce sa používania učebníc, technických a didaktických pomôcok, otázky týkajúce sa záujmu o fyziku a prípravy žiakov na hodiny fyziky, otázky týkajúce sa experimentovania na hodinách fyziky a v domácom prostredí. V príspevku uvádzame len niektoré výsledky prieskumu, ktoré mali vplyv na vytvorenie podujatia Fyzika je moja kamarátka. Fyzika úzko súvisí s experimentovaním a používaním pomôcok. Ťažko si žiaci dokážu predstaviť, čo je to napríklad kondenzátor, ak túto pomôcku nikdy nevideli. Najlepšie si ju však zapamätajú, ak ju môžu aj reálne držať v ruke. V dotazníkoch uviedlo 83 % žiakov, že na hodinách fyziky používajú experimenty. Žiaci uvádzali, že používajú pomôcky, ktoré sú potrebné k učivu, ktoré preberajú. V súčasnej dobe majú skoro všetky školy počítače, či už v špeciálnych učebniach, alebo v každej učebni osobitne. S využitím počítačov môžeme žiakom ukázať napríklad rôzne simulácie

31 fyzikálnych javov, ktoré sa v školských podmienkach nedajú reálne uskutočniť, prípadne ich realizácia by bola časovo náročná. Pri otázke, či žiaci a učitelia využívajú na hodinách fyziky počítače uviedlo len 17 % respondentov kladnú odpoveď. Zvyšných 83 % uviedlo, že na hodinách fyziky počítače nevyužívajú. V dotazníku mali žiaci možnosť vyjadriť sa, čo sa im na fyzike páči a čo sa im nepáči. Jednoznačne najčastejšie uvádzaná odpoveď na otázku, čo sa žiakom na fyzike páči bola experimenty. Ako študenti učiteľstva fyziky sa učíme, ako žiakom podať informácie, vedomosti, zručnosti tak, aby bolo vyučovanie čo najefektívnejšie. Preto sme do dotazníka zaradili otázku, ako by sa žiakom lepšie učila fyzika. Najčastejšie sa vyskytovali odpovede, že by im pomohlo, keby mali na školách novšie vybavenie, viac pomôcok, novšie a zaujímavejšie učebnice, možnosť robiť projekty, práca s experimentmi, prípadne častejšie využívanie počítača. Zaujímavé boli postrehy, kedy by žiaci uvítali školu hrou, exkurzie, živšie a zrozumiteľnejšie vysvetľovanie. Analýzou dotazníkov sme dospeli k týmto záverom: žiaci majú radi fyziku, pričom obľúbenosť tohto predmetu priamo súvisí s učiteľom, žiaci základných škôl sú zvedaví a radi experimentujú, na hodinách fyziky by žiaci uvítali ako zmenu práve viac experimentov, na hodinách fyziky sa robia len základné experimenty, ktoré sú uvádzané aj v učebniciach fyziky a takmer vôbec nepoužívajú experimenty s počítačovou podporou. Uvedomujeme si, že v súčasnom systéme, nie je možné realizovať na hodinách fyziky viac experimentov z hľadiska náročnosti niektorých experimentov (časovej alebo materiálnej). Problémom sú tiež financie a fakt, že aj v dnešnej dobe je mnoho škôl, ktoré nemajú laboratória, prípadne špecializované učebne na hodiny fyziky. V školách tiež nie sú dostupné potrebné pomôcky, prípadne tie čo sú, sú zastarané, alebo nefunkčné. Učitelia sú nútení vyrábať si pomôcky vlastnoručne. Ak však učiteľ nie je dostatočne šikovný, nemá možnosti a nezaujíma sa o výrobu pomôcok, potom na hodinách fyziky nemôže používať pomôcky. Príprava podujatia Ako možné riešenie tejto situácie sme sa rozhodli, zorganizovať podujatie na katedre fyziky Fakulty prírodných vie Univerzity Mateja Bela, ktoré bolo zamerané na experimentálnu činnosť žiakov. Hlavným cieľom podujatia bolo poskytnúť žiakom možnosť získať viac skúseností s experimentmi s ich realizáciou, ale aj s prípravou samotných pomôcok. Čiastkové ciele podujatia je možné zhrnúť do niekoľkých bodov: získanie skúsenosti u žiakov s experimentmi, vyskúšanie si rôznych pomôcok, realizovanie zaujímavej formy výučby, vytvorenie priestoru na experimenty, ukazovanie zaujímavých experimentov, popularizovanie fyziky. Podujatie sme symbolicky nazvali Fyzika je moja kamarátka. Tento názov mal demonštrovať, že po absolvovaní podujatia, by sa mali žiaci s fyzikou skamarátiť. Podujatie sa konalo počas dvoch dní utorok ( ), ktorý bol venovaný žiakom šiesteho a siedmeho ročníka a štvrtok ( ) bol venovaný žiakom ôsmeho a deviateho ročníka. Podujatie bolo rozdelené na dve časti. V prvej časti sa žiaci zúčastnili na zaujímavej prednáške, druhá časť bola experimentálna a prebiehala v laboratóriách katedry fyziky. Každé laboratórium bolo nazvané podľa toho, aké experimenty sa v laboratóriu robili. Prvé laboratórium sme nazvali Čarovanie s fyzikou (Obr.1). V tomto laboratóriu sa žiaci mohli dozvedieť fyzikálny princíp niektorých kúziel, ktoré používajú mágovia, prípadne si ich sami

32 vyskúšať napríklad levitovanie, zmiznutie pohára, stroj na rozmnoženie mincí, Herónova guľa, atď.. Pri experimentoch bolo zdôrazňované, že fyzika nás sprevádza celým našim životom na každom kroku. Rovnaké experimenty boli použité pre žiakov všetkých ročníkov, rozličná bola len úroveň vysvetľovania. Obr. 1: Žiaci v laboratóriu Čarovanie s fyzikou v utorok Ďalšou zastávkou v experimentovaní bolo laboratóriu s názvom Fyzikálna hračka, kde sme žiakom predstavili fyzikálne hračky, ktoré boli vyrobené študentmi fyziky. Okrem toho, že sa žiaci mohli pohrať so zaujímavými hračkami, mohli sa dozvedieť, že každá hračka demonštruje istý fyzikálny jav. Do tohto laboratória sme pripravili aj rôzne hry a súťaže, vďaka ktorým si žiaci mohli overiť svoje vedomosti z fyziky šiesteho ročníka. Tretie laboratórium sme nazvali Vyrobím si pomôcku (Obr. 2). Na stoloch boli pripravené rôzne materiály, ľahko získateľné v každej domácnosti. Tu si mohli žiaci vyrobiť pomôcky na hodiny fyziky. Ak si žiaci nestihli pomôcku vyrobiť, mohli si aspoň zobrať návod na jej výrobu a jednoduchú pomôcku si vyrobiť aj doma. Na programe bola výroba lupy z plastového obalu liekov (tabletiek) a vody, camery obscury z kelímku od jogurtu, posúvajúcej sa lienky z kartónu, slamky a špagátu, spektroskopu z kúska cd nosiča. Každá z týchto pomôcok bola použitá počas podujatia a žiakom bol vysvetlený princíp jej fungovania. Laboratórium optiky malo názov Optika mojimi očami. Tu mali žiaci možnosť vidieť, ako sa miešajú farby, aké zrkadlá existujú, ako prebieha vyšetrenie u očného lekára a tiež princíp fungovania optického vlákna. Napriek tomu, že mladší žiaci ešte optiku nemali, tieto experimenty boli zaradené aj pre žiakov šiesteho a siedmeho ročníka s cieľom motivovania žiakov na túto tému. Samozrejme pre tieto ročníky bolo potrebné prispôsobiť úroveň vysvetľovania daných javov. Obr. 2: Výroba pomôcok v laboratóriu Vyrobím si pomôcku vo štvrtok

33 Posledné laboratórium s názvom Experimentáreň (Obr. 3) bolo zamerané na experimenty súvisiace s preberaným učivom v jednotlivých ročníkoch, to znamená, že neboli rovnaké počas oboch dní, v ktorých sa podujatie konalo. Zaradené boli experimenty s pomôckami ako napríklad vákuový zvon, ktorý v školách nemajú a je možné pomocou neho veľmi pekne demonštrovať niektoré javy (napr. teplota varu vody pri zníženom tlaku). Vzhľadom k tomu, že žiaci v dotazníkoch uvádzali, že na hodinách fyziky skoro vôbec nevyužívajú počítače, ani nerobia experimenty s podporou počítača, rozhodli sme sa zaradiť experimenty realizované pomocou meracieho systému COACH. Do podujatia boli zapojení študenti fyziky ako lektori v jednotlivých laboratóriách. K dispozícií sme mali päť laboratórií, v každom laboratóriu boli dvaja lektori, v jednom laboratóriu boli lektori traja. Do jedného laboratória bolo možné z hľadiska bezpečnosti zobrať maximálne dvanásť žiakov. Počet žiakov, ktorí sa mohli zúčastniť podujatia bol teda obmedzený. Podujatia sa mohlo zúčastniť maximálne 60 žiakov. Z tohto dôvodu sme sa rozhodli, že podujatie uskutočníme počas dvoch dní. Dátum sme stanovili na utorok a štvrtok Celkovo sa teda mohlo podujatia zúčastniť maximálne 120 žiakov. S dôvodu rozdielnej úrovne vedomostí v jednotlivých ročníkoch sme sa rozhodli, že jeden deň (utorok) bude určený pre žiakov šiesteho a siedmeho ročníka a druhý deň (štvrtok) bude určený pre žiakov ôsmeho a deviateho ročníka. Takto sme mohli žiakom prispôsobiť výber experimentov a tiež úroveň vysvetľovania. Záujem o podujatie bol veľký, museli sme niekoľko škôl odmietnuť. Obr. 3: Experimentáreň vo štvrtok Realizácia podujatia Podujatie bolo realizované v utorok a vo štvrtok V prvý deň podujatia, v utorok sme na katedre fyziky privítali 53 žiakov a v sprievode 3 učiteľov z dvoch základných škôl a jedného osemročného gymnázia. Po úvodnom privítaní sa žiaci rozdelili do piatich skupín po dvanásť žiakov. Každú skupinku si odviedli lektori do laboratórií. V každom z laboratórií strávili žiaci približne 25 minút, pričom mali možnosť vyskúšať si rôzne experimenty. Keď už bola v každom laboratóriu piata skupina, lektori ju odviedli do prednáškovej triedy, kde sa žiaci zišli na zaujímavej prednáške. V tento deň žiakom porozprával o oblakoch Mgr. Martin Hruška, PhD. Aby sme získali spätnú väzbu od žiakov a zistili, či sa im podujatie páčilo a čo je potrebné zlepšiť, požiadali sme žiakov o vyplnenie dotazníkov. Rovnako nás zaujímal názor učiteľov, pre ktorých sme rovnako pripravili dotazníky. Vo štvrtok naše podujatie navštívilo 56 žiakov v sprievode troch vyučujúcich. Tentokrát po úvodnom privítaní nasledovala prednáška (Obr. 4) Mgr. Mareka Balážoviča, ktorý žiakom prednášal o Mpembovom jave, teda o jave kedy teplá voda zamrzne skôr ako studená. Samozrejme, pred žiakmi urobil aj dôkaz pomocou experimentu. Po prednáške sa opäť žiaci rozdelili do piatich skupín. Štvrtkové podujatie bolo určené pre starších žiakov základných škôl

34 Obr. 4: Prednáška Mgr. Mareka Balážoviča vo štvrtok Analýza dotazníkov Cieľom dotazníka, ktorý žiaci vypĺňali na konci podujatia, bolo zistiť, či sa žiakom podujatie páčilo, čo sa im na podujatí páčilo, prípadne nepáčilo a čo by na ňom zlepšili. Týmto spôsobom sme chceli zistiť, či malo podujatie pre žiakov význam, a či by sme mali podujatie opakovať častejšie. Samozrejme, tiež vďaka spätnej väzby od žiakov sme mali možnosť zistiť, ako je možné podujatie zlepšiť. V príspevku sa budeme venovať len niektorým otázkam dotazníka. Celkovo žiacky dotazník vyplnilo 101 žiakov Keďže celé podujatie súviselo s experimentovaním, zaujímali sme sa o to, či žiaci robia v škole na hodine fyziky experimenty. Na výber bola kladná a záporná odpoveď. Celkovo 65 % žiakov odpovedalo kladne, 35 % žiakov na hodinách fyziky experimenty nerobí V nasledujúcej otázke mali žiaci možnosť hodnotiť jednotlivé laboratória: Čarovanie s fyzikou, Optika mojimi očami, Fyzikálna hračka, Vyrobím si pomôcku a Experimentáreň. a podujatie celkovo. Hodnotiť mohli známkami podobne ako v škole. Utorok ohodnotili žiaci podujatie celkovo známkou 1,61, čo bolo o čosi horšie ako vo štvrtok, kedy žiaci ohodnotili podujatie známkou 1,49. Celkovo žiaci najhoršou známkou (1,73) ohodnotili laboratórium Optika mojimi očami a najlepšie ohodnotili laboratórium Čarovanie s fyzikou (1,35). Hodnotenia pre jednotlivé laboratóriá sú uvedené v nasledujúcej tabuľke (Tab. 1). Tab 1: Hodnotenie jednotlivých laboratórií. Laboratórium Utorok Štvrtok Priemer Čarovanie s fyzikou 1,44 1,25 1,35 Optika mojimi očami 1,65 1,81 1,73 Fyzikálna hračka 1,63 1,38 1,51 Vyrobím si pomôcku 1,58 1,64 1,61 Experimentáreň 1,61 1,43 1,52 Nasledujúce tri otázky boli otvorené. Pýtali sme sa žiakov, čo sa im na podujatí najviac páčilo. Odpovede boli rôzne. V utorok uviedlo 26 % žiakov, že sa im páčilo všetko, 15 % uviedlo, že najviac sa im páčili experimenty, 9 % sa najviac páčila prednáška. Ostatní uvádzali, že sa im páčili hračky, ktoré vyrábali sami, jednotlivé laboratória, ale boli aj odpovede, že sa im nepáčilo nič. Našli sa však aj

35 veľmi pozitívne odpovede, ako napríklad, že to bolo celé zaujímavé, že sa veľa naučili. Vo štvrtok sa žiakom najviac páčilo: všetko (29 %), experimenty (8 %), prednáška (7 %). Zaujímavé bolo, že až 18 % žiakov uviedlo, že najviac sa im páčilo laboratórium Čarovanie s fyzikou. Ostatné odpovede boli: výroba pomôcok, jednotlivé laboratóriá, výťah s guľôčkou, chodenie po laboratóriách, neviem si vybrať, ale tiež sa našli odpovede, že sa im nepáčilo nič, prípadne, že keď to všetko skončilo. Žiakom sa nepáčilo, že: nemali prestávky, bolo málo experimentov, starším žiakom sa nepáčilo laboratórium Vyrobím si pomôcku, ktoré niektorí žiaci nazvali výtvarná. Častejšie sa vyskytla aj odpoveď laboratórium Optika mojimi očami. Najčastejšie však bolo uvádzané, že nebolo nič, čo by sa im nepáčilo (57 %), alebo že všetko to bolo výborné. Aby sme mohli v budúcnosti zlepšiť úroveň podujatia, opýtali sme sa žiakov, čo by na podujatí zmenili alebo upravili. V prvý deň podujatia žiaci uviedli tieto odpovede: lepšie pomôcky na výrobu, viac zábavy, rýchlejšie robenie experimentov, viac času na prednášku, dal by som prestávku, aby viac experimentov robili deti a viac prednášok. Najčastejšie však uviedli, že by nič nemenili (65 %). Na druhý deň podujatia sme sa snažili doplniť prestávky, preto sa táto odpoveď už nevyskytovala. Žiaci by však zmenili laboratórium Optika mojimi očami, ktorú by okorenili zábavou. Jeden z cieľov nášho podujatia bol, aby sa žiaci niečo nové naučili, aby získali zručnosti. Preto sme sa žiakov opýtali, či sa niečo nové naučili, pričom mali na výber kladnú a zápornú odpoveď. Z dotazníkov vyplynulo, že 94 % žiakov sa naučilo niečo nové, z čoho sme usúdili, že naše podujatie bolo z tohto hľadiska pre žiakov prospešné. Záver Na základe dotazníkov sme zistili, že žiakom sa podujatie Fyzika je moja kamarátka páčilo. Preto je našim cieľom do budúcnosti, aby sme podujatie opakovali v pravidelných intervaloch, aby sa podujatia mohlo zúčastniť čo najviac žiakov základných škôl. V súčasnosti je málo základných škôl, ktoré by mali dobré podmienky a možnosti na experimentovanie na hodinách fyziky. Našim podujatím by sme tak žiakom a školám mohli pomôcť pri zlepšení tejto situácie. Vysoké školy väčšinou upriamujú svoju pozornosť na žiakov stredných škôl, pričom takýmto spôsobom majú možnosť získať budúcich študentov. Ak však upriamime našu pozornosť na mladších žiakov, môžeme si tiež vychovať budúcich študentov. Ak budeme pestovať vzťah k fyzike už v mladšom veku, je veľká šanca, že tento vzťah bude trvalejší a pevnejší. Vďaka spätnej väzby od žiakov môžeme naše podujatie stále zlepšovať a vytvoriť tak podujatie, ktoré bude dopĺňať učivo základných škôl, ktoré žiakom ukáže, že fyzika je všade okolo nás a že súvisí s každodenným životom a skutočne môže byť a aj je našou kamarátkou. Poďakovanie Rada by som poďakovala mojej konzultantke PaedDr. Miriam Spodniakovej Pfefferovej, PhD. za cenné pripomienky a rady a tiež všetkým študentom katedry fyziky Univerzity Mateja Bela v Banskej Bystrici, ktorí mi ako lektori ochotne pomohli podujatie zrealizovať. Adresa autora Bc. Mária Beniačiková Univerzita Mateja Bela v Banskej Bystrici Fakulta prírodných vied, Katedra fyziky Tajovského Banská Bystrica maria.beniacikova@gmail.com

36 HISTÓRIA A PRINCÍPY FAREBNEJ FOTOGRAFIE Sofia Berezina Katedra fyziky, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita v Žiline Abstrakt: Tvorivý učiteľ fyziky využíva každú možnosť pre spestrenie výučby a rozšírenie znalostí žiakov atraktívnou a pútavou formou. Existuje mnoho zaujímavých tém, vhodných ako doplnkový materiál vyučovania, alebo pre prácu v záujmových krúžkoch. Príspevok je zameraný na menej známe fakty z histórie fotografie, špeciálne farebnej fotografie a zaujímavé fyzikálne princípy, ktoré sa v minulosti využívali vo fotografickej technike. Kľúčové slová: fotografia, skladanie farieb, interferencia, Prokudin-Gorskij, Lippmanova fotografia Úvod Človek dostáva drvivú väčšinu informácií o vonkajšom svete prostredníctvom zraku. Niet sa preto čo diviť, že už od prehistorických čias sa človek snažil uchovať videné obrazy. Už pred vyše tridsaťtisíc rokmi kreslil pračlovek na stenách jaskýň, ktoré obýval, obrázky zvierat a výjavy lovu. V dobe, keď ešte neexistovalo písmo, to bola jediná možnosť, ako zanechať správu o dôležitých udalostiach iným praľuďom. Výtvarné umenie sprevádza ľudstvo prakticky už od jeho vzniku, obrazy však nesú veľmi silný subjektívny pohľad na svet očami umelca. Preto sa zákonite v ďalšej etape rozvoja civilizácie vynorila snaha zachytiť objektívny obraz sveta, bez jeho interpretácie umelcom. Už v treťom storočí pred naším letopočtom opísal Euklides v diele Optika princíp jednoduchého zariadenia, zvaného camera obscura (temná komora). Svetlo, prenikajúce do zatemnenej miestnosti cez malý otvor v stene, vytvára na jej protiľahlej stene prevrátený obraz okolia (Obr.1). Obr. 1. Camera obscura Obraz je tým ostrejší, čím menší priemer otvoru, avšak jeho jasnosť je tým nižšia, čím je menšia plocha otvoru. Vtedy však neexistovala možnosť, ako tento obraz zafixovať, umelci len obkresľovali tužkou obrysy obrazu, prípadne ho potom ešte vyfarbili. 1. Začiatky monochromatickej fotografie Základným predpokladom pre vznik fotografie bolo objavenie fotochemickej reakcie, t.j. takej reakcie, keď účinkom svetla dôjde k chemickým zmenám danej látky. Aj keď zmeny farby strieborných solí účinkom svetla pozoroval už roku 1727 nemecký chemik Johann Heinrich Schulze, prvé fotografie používali celkom inú technológiu. Najstaršou zachovanou fotografiou je známy Pohľad

37 s okna z roku Jej autorom bol Jozef Nikifor Niepce, ktorý použil cínovú platňu pokrytú tenkou vrstvou bitumenu (prírodný asfalt z Judey). Na platňu sa premietal obraz z camery obscury, ktorú Niepce zostrojil jednoducho tak, že jediné okno v izbe zakryl drevenou tabuľou, v ktorej bol malý otvor. Po niekoľkohodinovej expozícii na osvetlených miestach asfalt vytvrdol a stal sa nerozpustným, na neosvetlených zostal mäkkým a rozpustným. Platňa bola potom ponorená do levandulového oleja, ktorý rozpustil neosvetlený bitumen. Aby sa farebne odlíšil cín od bitumenu, bola platňa po očistení a vysušení ponorená do kyseliny, účinkom ktorej cín sčernel, ale asfalt zostal svetlo sivý. Neúmerne dlhá doba expozície znemožňovala fotografovanie živých objektov, dokonca aj prírodné motívy boli veľmi rozmazané v dôsledku pohybov vetiev stromov a podobne. Veľmi nízka svetelnosť camery obscury spôsobila, že fotografovanie bolo možné len v priamom slnečnom svetle. Preto bola camera obscura nahradená prvým fotoaparátom, ktorý namiesto otvoru používal spojnú šošovku. Svetelnosť sa tým síce zlepšila, ale kvalita obrazu sa veľmi zhoršila. Ďalší rozvoj si vyžadoval použitie citlivejšej fotochemickej reakcie. Približne desať rokov po Niepcem realizoval Daguerre postup, využívajúci jodid strieborný nanesený na striebornej platni ako svetlocitlivú vrstvu. Vytvorenie fotocitlivej vrstvy sa dosiahlo tým, že strieborná platňa bola vystavená parám jódu. Doba expozície sa skrátila na desiatky minút, doska sa potom vyvolala parami ortute a stabilizovala (ustálila) pomocou thiosíranu sodného. Celý proces bol veľmi komplikovaný a fotografia bola málo kontrastná, preto sa tento spôsob neujal. Niepceova ani Daguerreova fotografia neumožňovala robiť kópie, výsledkom procesu bol vždy len jediný originál. V roku 1851 objavil Frederick Scott Archer tzv. kolódiový proces, ktorý bol oveľa citlivejší na svetlo a umožňoval skrátiť expozičnú dobu na niekoľko desiatok sekúnd. Kolódium je gélovitá hmota tvorená nitrocelulózou rozpustenou v zmesi éteru a alkoholu, ktorá sa v tých časoch používala v lekárstve ako tekutý obväz. Fotocitlivá látka (jodid alebo bromid strieborný) bola jemne rozptýlená v kolódiu a táto zmes bola rovnomerne nanesená na sklenenú platňu. Nevýhodou tohto procesu bolo, že fotograf si sám musel pripraviť fotocitlivú vrstvu na sklenú platňu tesne pred fotografovaním, a platňa nesmela vyschnúť, až kým sa nevyvolala a neustálila. Tento spôsob napriek svojej časovej náročnosti a zložitosti dával veľmi dobré výsledky. Kolódiový proces nahradila až po vyše tridsiatich rokoch fotocitlivá emulzia na báze želatíny, ktorá po nanesení na sklo mohla uschnúť a takto pripravené fotografické platne sa mohli skladovať (samozrejme zabalené v čiernom papieri) dlhšiu dobu. Fotocitlivou látkou v oboch procesoch boli halogenidy striebra, ako vývojka sa používala kyselina pyrogallová a ustaľovačom bol thiosíran sodný. Hlavným problémom bolo dosiahnuť rovnomerné rozptýlenie drobných zŕn fotocitlivej látky (bromidu, resp. jodidu strieborného) v nosnom médiu (kolódium, želatína a pod.). Nosné médium pritom muselo na jednej strane udržať tieto zrnká na mieste, na druhej strane byť priepustné pre roztoky chemikálií, ktorými sa platňa po expozícii vyvolávala, ustaľovala a prepierala. Samozrejmou požiadavkou bola priesvitnosť média v celej oblasti viditeľného žiarenia. Podkladom pre svetlocitlivú vrstvu bolo po dlhú dobu sklo (pre špeciálne účely, napr. v astronómii, holografii a pod. sa používalo do 80-tich rokov 20. storočia). Pre bežné fotografovanie sa od roku 1889 začala postupne používať ako podklad nitrocelulózová fólia. Pretože bola veľmi horľavá, neskôr bola nahradená polyesterovou, resp. PET fóliou. V roku 1889 Eastman získal patent na zrolovaný film, na ktorý sa vošlo až sto obrázkov, a ktorý v mnohých oblastiach vytlačil predtým používané fotografické platne. Vyvolaná platňa bola negatívom, z ktorého sa potom robili pozitívne kópie na fotografický papier. Samotný fotoaparát sa tiež vyvíjal. Spojná šošovka, ktorá mala otvorovú i farebnú vadu, bola po roku 1846 nahradená objektívom Jozefa Maxmiliána Petzvala, rodáka zo Spišskej Belej [1]. Petzvalov objektív sa skladal zo štyroch šošoviek a kompenzoval farebnú aj sférickú aberáciu. Jeho svetelnosť bola šestnásťkrát vyššia ako svetelnosť vtedy používaných objektívov. Súčasťou objektívu

38 bola clona, regulujúca množstvo svetla prechádzajúceho objektívom. V osemdesiatich rokoch 19. storočia už boli fotografické platne natoľko citlivé, že sa expozičná doba sa skrátila na sekundy až časti sekúnd, fotoaparát už poväčšine obsahoval uzávierku. 2. Svetlo a farby Tajomstvo farieb odjakživa fascinovalo ľudí. Bohatstvo farieb v prírode, rôzne sfarbené kvety, motýle, zvieratá a kamene pútali od dávna pozornosť ľudí. Už v staroveku sa ľudia naučili získavať z prírodných zdrojov pôvodcov farieb pigmenty a používali ich pre farbenie koží, látok, dreva i svojich príbytkov. Naučili sa, že zmiešaním dvoch farieb môže vzniknúť tretia, celkom odlišná od pôvodných farieb. Už pred tisíc rokmi sa používalo farebné sklo vo vitrážach kostolov. Po objave farebného skla bolo možné prepúšťať slnečné svetlo cez rôzne farebné sklíčka (dnes by sme povedali filtre) a vytvárať zaujímavé efekty osvetlením bieleho alebo farebného podkladu svetlom rôznej farby. V osemnástom storočí už viac menej intuitívne poznali zákonitosti skladania farieb bolo známe, že iné pravidlá platia pre nanášanie farieb na papier (alebo iný podklad) a iné pre miešanie farebných svetiel. Dnes tieto zákonitosti poznáme ako aditívne a subtraktívne skladanie farieb (Obr.2). Obr.2. a) subtraktívne skladanie farieb; b) aditívne skladanie farieb Už Newton zistil, že pomocou skleneného hranola môžeme rozložiť biele (bezfarebné) slnečné svetlo na farby, a prechodom cez ďalší hranol spojiť farebné lúče znovu do jedného zväzku bieleho svetla. Tento jav fascinoval aj Goetheho, ktorý robil so svetlom mnohé experimenty a dokonca svoju rozsiahlu teóriu farieb vydal aj knižne. Newton vysvetlil vznik dúhy, farebné trblietanie svetla na kvapkách rosy a na hranách diamantov. Napriek veľkej autorite Newtona, ktorý presadzoval korpuskulárnu teóriu svetla, nakoniec zvíťazila vlnová teória. Za medzník víťazstva vlnovej teórie svetla sa zvyčajne považuje interferenčný experiment Thomasa Younga z roku 1801 na dvojštrbine, hoci už roku 1785 zhotovil David Rittenhouse prvú optickú mriežku, pomocou ktorej bolo možné pomerne presne určiť vlnové dĺžky jednotlivých farieb v spektre. Až James Clerk Maxwell odhalil povahu svetelného vlnenia, keď ho vo svojej práci z roku 1865 stotožnil s elektromagnetickým vlnením. Veľkým problémom vtedajšej experimentálnej optiky bola neexistencia vhodných umelých zdrojov svetla. Prakticky všetky rozhodujúce experimenty boli robené so slnečným svetlom, privádzaným do laboratória sústavou zrkadiel. Situácia sa radikálne zmenila po Jabločkovom vynáleze elektrickej oblúkovej lampy (1876), ktorá vydržala svietiť až dve hodiny. Neskôr prišiel Auerov vynález plynovej pančušky (1885), ktorá umožnila používať plyn ako zdroj svetla

39 3. Farebná fotografia Základom farebnej fotografie je poznatok, že akúkoľvek farbu možno poskladať pomocou troch základných farieb rôznej intenzity, ku ktorému dospel James Clerk Maxwell už v roku 1855, dávno predtým, ako biológovia odhalili mechanizmus vnímania svetla ľudským okom. Hlavný prúd vývoja fotografických filmov pre farebnú fotografiu sa uberal smerom vytvárania emulzií, citlivých na jednotlivé oblasti vlnových dĺžok viditeľného svetla, ktoré sa účinkom svetla príslušne zafarbia. Výsledkom tohto snaženia bol mnohovrstvový farebný film, ktorý uviedla v roku 1935 na trh firma Kodak (Obr.3). Táto technológia sa s malými obmenami využívala vyše päťdesiat rokov, kým ju nezačali vytláčať digitálne fotoaparáty. Obr.3. Prierez farebným filmom: 1. nosná vrstva; 2. adhézna vrstva; 3. vrstva citlivá na červené svetlo; 4. vrstva citlivá na zelené svetlo; 5. žltý filter; 6. vrstva citlivá na modré svetlo; 7. UV filter; 8. ochranná vrstva; 9. Dopadajúce svetlo. Vo svojom príspevku sa chcem zamerať na menej známe techniky farebnej fotografie, ktoré síce nenašli také rozšírenie, ale majú zaujímavý fyzikálny princíp. Je to Lippmanova interferenčná fotografia a trojfarebná fotografia, ktorú podľa Maxwellovej idey realizoval Adolf Miethe a neskôr zdokonalil Sergej Prokudin-Gorskij. 4. Trojfarebná fotografia Na prelome 19. a 20. storočia bola už technika monochromatickej (čierno-bielej) fotografie na pomerne vysokej úrovni, zatiaľ čo vývoj fotoemulzií pre farebný film bol ešte len v začiatkoch. Preto bola snaha zaznamenať kompletnú informáciu o farbe pomocou troch oddelených čiernobielych negatívov. Princíp trojfarebnej fotografie spočíva v tom, že sa daný objekt sfotografuje trikrát cez tri rôzne farebné filtre modrý, zelený a červený. Keď sfotografujeme objekt cez modrý filter, bude na (čierno-bielom) negatíve uložená informácia o distribúcii modrej farby. Keďže sčernenie je úmerné dopadajúcemu množstvu svetla, je potrebné urobiť z negatívu pozitív a ten presvietiť modrým svetlom. Na plátne tak získame pôvodnú distribúciu modrej farby. Na získanie farebného obrazu musíme objekt sfotografovať trikrát, postupne cez modrý, zelený a červený filter, vyvolané čiernobiele pozitívy presvietiť bielym svetlom cez príslušné filtre, pričom projekcie na plátno sa musia presne zhodovať. Celý tento postup je náročný na presnosť a navyše, nemohol byť v Maxwellových časoch realizovaný, pretože vtedajšie fotografické emulzie neboli citlivé na červenú farbu. A aj expozičné doby boli ešte príliš dlhé. Maxwellovu myšlienku realizovali neskôr, keď boli k dispozícii fotomateriály citlivé na svetlo všetkých vlnových dĺžok viditeľného svetla a citlivosť fotoemulzií vzrástla natoľko, že expozičné časy sa skrátili na sekundy. Začiatkom 20. storočia túto metódu rozpracoval nemecký chemik a fyzik Adolf

40 Miethe, ktorý roku 1903 zostrojil špeciálnu kameru na trojfarebné fotografovanie. Ruský chemik Sergej Michajlovič Prokudin-Gorskij, ktorý sa počas dvojmesačného pobytu u Mietheho nadchol pre myšlienku farebnej fotografie, túto kameru neskôr zdokonalil a po návrate do Ruska získal v roku 1905 patent na senzibilizátor, ktorý podstatne zvýšil citlivosť fotoemulzie na červené svetlo. Prokudin-Gorskij robil farebné fotografie krajiny od roku 1903 a verejne ich predvádzal publiku. Táto činnosť vzbudila veľkú pozornosť verejnosti a sám imperátor Nikolaj II. mu poskytol grant na fotografovanie celej ruskej impérie. Prokudin-Gorskij v rokoch urobil veľké množstvo trojitých snímkov. ktoré sa vďaka tomu, že ich od jeho dedičov kúpila v roku 1948 knižnica Kongresu USA zachovali až do našich dní [2]. Fotoaparát Progudina Gorského mal špeciálny držiak na fotografickú platňu, vybavený tromi okienkami s červeným, modrým a zeleným filtrom (Obr.4). Pružinový mechanizmus umožňoval rýchle posúvanie držiaka vo fotoaparáte, a tým aj tri expozície platne v rýchlom slede jednu za druhou. Bolo veľmi dôležité, aby sa počas troch expozícií v zornom poli fotoaparátu nič nepohlo, ináč vznikla na výslednom snímku farebná chyba. Obr.4. Fotoaparát Prokudina-Gorského Pretože jednotlivé farebné filtre prepúšťali len časť spektra, bol fotochemický proces pri expozíciách pre rôzne farby rôzne rýchly. Všetky tri snímky boli exponované na jednu platňu jeden nad druhým, vyvolávali aj ustaľovali sa spoločne. Vyvolaný trojitý negatív sa potom kontaktným spôsobom prekopíroval na ďalšiu sklenenú fotografickú platňu, čím vznikol trojitý pozitív. Predvádzanie farebných obrazov bola technicky veľmi náročná záležitosť. Na premietanie sa používal špeciálny projektor vybavený tromi identickými optickými sústavami. Svetlo zo zdroja sa pomocou hranolov a zrkadiel rozdelilo na tri paralelné zväzky, ktoré prechádzali cez kondenzor, príslušný filter (museli byť použité rovnaké filtre ako pri fotografovaní), zodpovedajúcu časť pozitívu a optickú sústavu. Jemná aretácia optickej osi každej zobrazovacej sústavy umožňovala dosiahnuť, že na plátne sa všetky tri obrazy presne prekrývali, takže farebné vady boli potlačené. Sústavou clôn bolo možné regulovať intenzitu osvetlenia jednotlivých farebných kanálov a tým do istej miery upravovať farebné spektrum obrazu, aby čo najlepšie zodpovedalo farebnému ladeniu skutočného objektu. Progudin-Gorskij publikoval tieto fotografie aj ako farebné fotografie na papieri ešte pred revolúciou 1917 roku, ale dostupné technológie farebnej tlače neumožňovali vtedy kvalitnú reprodukciu v prirodzených farbách

41 V knižnici Kongresu USA sa nachádza 1902 trojitých negatívov snímok Prokudina-Gorského. Všetky boli zoskenované s vysokým rozlíšením, z každej trojice bol elektronicky vytvorený farebný obrázok. Typický výsledok je na Obr.5. Defekty, spôsobené posuvom fotoaparátu počas fotografovania alebo chybami na fotografickej platni bolo možné odstrániť (alebo potlačiť) vhodnými algoritmami. Chyby, spôsobené pohybom fotografovaného objektu v priebehu snímania sa vykompenzovať nedajú, iba ak ručným retušovaním. Obr.5. Farebná fotografia bez korekcií Na Obr. 6. je niekoľko rekonštruovaných snímok, prinášajúcich jedinečné pohľady na život v Rusku a jeho kultúrne pamiatky začiatkom 20. storočia. Viac fotografií nájde čitateľ v zbierkach [2-4]. Obr.6. Niekoľko fotografií Prokudina-Gorského

42 5. Lippmannova fotografia Najžiarivejšie farby v prírode nachádzame na perí kolibríkov, pávov a iných vtákov. Márne by sme sa však snažili izolovať z ich peria nejaký pigment okrem čierneho pigmentu by sme žiadny nenašli. Mechanizmus ich vzniku je úplne iný. Je to interferencia svetla. Na rozdiel od sfarbenia, spôsobeného prítomnosťou pigmentov, sú farby zapríčinené interferenciou svetla charakteristické tým, že ich odtieň závisí od uhla pohľadu. Keď sa pozrieme na hlavičku káčera, vidíme, že pri pozorovaní v kolmom smere je jej farba tmavozelená, postupne prechádzajúca do tmavomodrej pri ostrých uhloch pozorovania. Je to spôsobené tým, že perie vtákov obsahuje pravidelne usporiadané mikroskopické lamely (Obr.7), na ktorých dochádza k mnohozväzkovej interferencii svetla, podobne ako na optickej mriežke [5]. Prítomnosť čierneho pigmentu v perí vtákov má svoje opodstatnenie, pretože pohlcuje biele svetlo a umožňuje tak vyniknúť interferenčným farbám. Perie bieleho páva obsahuje rovnaké lamelové štruktúry ako perie obyčajného páva, aj na nich dochádza k interferencii, ale odrazené biele svetlo úplne prekrýva tento efekt. Obr.7. Mikroskopický pohľad na pávie pierko. Podľa [6]. Mnohozväzkovú interferenciu navrhol využiť na zaznamenanie informácie o farbách Gabriel Lippmann [7]. Lippmann použil fotocitlivú želatínovú emulziu na skle (na báze bromidu strieborného) bežne používanú v tých časoch pre čiernobiele fotografovanie, ale na netradičnom podklade hladine ortuti. Vrstva emulzie musí byť oveľa hrubšia, ako pre bežné fotografovanie niekoľko desiatok mikrónov. Svetlo dopadá na fotografickú platňu odzadu, t.j. cez sklo, za emulziou je ortuť. Lippmann upravil fotoaparát tak, že kazeta s fotografickou platňou mala v zadnej časti za sklom vodotesný priestor, do ktorého sa pred fotografovaním naliala ortuť (Obr.8a). Svetelná vlna dopadajúca cez priezračnú emulziu kolmo na povrch ortuti, sa odráža naspäť a interferuje s dopadajúcou vlnou. V dôsledku toho sa vytvorí stojatá vlna. Na povrchu ortuti, ktorá je vodivá, vznikne uzol, prvá kmitňa bude vo vzdialenosti ¼ vlnovej dĺžky (Obr. 8b). Svetlo spôsobí sčernenie v miestach, kde sa nachádzajú kmitne. Veľkosť zŕn v emulzii musí byť veľmi malá, podstatne menšia, ako pri obyčajných fotografických doskách. Taká emulzia je však menej citlivá na svetlo, a preto musí byť expozičná doba dlhšia. Po vyvolaní a ustálení vzniknú v objeme emulzie rovnobežne orientované polopriepustné vrstvy s ekvidistančnou vzdialenosťou d, rovnajúcou sa jednej polovici vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla. Na mieste, osvetlenom červeným svetlom, je vzdialenosť kmitní väčšia, tam kde dopadlo modré svetlo, menšia (Obr. 8b). Doba expozície musí byť volená tak, aby odraznosť jednotlivých vrstiev bola taká, že po kolmom osvetlení negatívu fotografie bielym svetlom vznikne na ňom mnohozväzková interferencia, ktorá zosilní len svetlo vlnovej dĺžky zodpovedajúcej podmienke λ = 2d, to znamená, že sa zrekonštruuje pôvodné rozdelenie farieb. Pre vznik kvalitnej fotografie musia byť splnené dve podmienky: dĺžka koherencie použi

43 tého svetla musí byť dostatočná, aby dopadajúca a odrazená vlna spolu interferovali. Počet kmitní v emulzii musí byť dostatočne veľký, aby interferenčné maximum bolo dostatočne úzke a priepustnosť jednotlivých vrstiev taká, aby kvocient radu (pomer amplitúd n-tej a (n+1)-ej odrazenej vlny bol dostatočne blízky k jednej. a) b) Obr.8. a) Schéma kazety s fotografickou platňou a ortuťou; b) Vznik stojatej vlny a sčernenia emulzie v miestach kmitní pri osvetlení svetlom rôznej vlnovej dĺžky Vyvolanú fotografiu pozorujeme v dopadajúcom bielom svetle, za sklenou platničkou s fotografiou nemusí byť odrážajúca vrstva, stačí čierny papier. Z Lippmannových čias sa zachovala len niekoľko fotografií (Obr.9). Najväčšia kolekcia je v Múzeu fotografie vo švajčiarskom Lausanne[8, 9]. Farebný dojem závisí od druhu dopadajúceho svetla. Tá istá fotografia osvetlená vláknovou žiarovkou vyzerá ináč ako keď je osvetlená denným rozptýleným svetlom. Ani jedno svetlo nie je úplne biele, žiarovka má výraznú prevahu teplejších, žlto oranžových vlnových dĺžok. Obr.9. Dve Lippmannove fotografie

44 Lippmannova fotografia je bližšia k hologramu, ako ku fotografii, a skutočne sa tento princíp dnes používa pre zvýšenie ochrany pred falšovaním dôležitých dokumentov (pasy, preukazy a podobne). 6. Záver V dnešných dňoch má takmer každý v mobile zabudovaný digitálny fotoaparát a už si ani nespomenie na klasický fotoaparát, ktorý možno niekde doma skladuje. Je užitočné pripomenúť si, akú dlhú a zložitú cestu prešli fyzici a technici od prvých pokusov zaznamenať obraz. Aj táto oblasť fyziky názorne dokazuje, že bez fyziky by naša civilizácia nemohla existovať. Fyzika ovplyvňuje nielen oblasť techniky, ale má priamy dosah aj na kultúru a umenie. Farebné fotografie, urobené pred viac ako sto rokmi, nám umožňujú poznať svet na začiatku dvadsiateho storočia a uvidieť mnohé historické a architektonické pamiatky, ktoré sa do našich dní nezachovali. Literatúra [1] RUMANOVSKÝ, Ivan Jozef Petzval: Život a dielo. Martin: Osveta, [2] Library of Congress USA: Kolekcia fotografií Prokudina Gorského. Dostupné na: < [3] International Research Project: The Legacy of S.N. Prokudin Gorsky. Dostupné na < > [4] The World of in Color. Dostupné na < > [5] ŠTRBA, Anton 1979.Všeobecná fyzika 3 OPTIKA, ALFA Bratislava 1979 [6] Causes of Color. In: Webexhibits, interactive online museum of science, humanities and culture. Dostupné na < > [7] LIPPMANN, Gabriel Sur la théorie de la photographie des couleurs simples et com-posées par la méthode intérférentielle, J. de Physique 3, , [8] La photo interférencielle. In: Biographie de Gabriel Lippmann et explications sur laphotographie interférentielle. Dostupné na < > [9] Musée de l'élysée, Lausanne. A Museum for photography. Dostupné na < Adresa autora Doc. Sofia Slabeyciusová (Berezina), CSc. Kat. fyziky, Elektrotechnická fakulta ŽU Univerzitná 8215/ ŽILINA berezi@fyzika.uniza.sk

45 FYZIKA V SLUŽBÁCH TECHNIKY A NAOPAK Peter Bokes ÚJFI Fakulta elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave Abstrakt: Súčasný trend v redukcii vzdelávania vo fyzike na stredných školách má vážne dôsledky pre následné vzdelávanie na technických univerzitách. V reakcii na tento vývoj bol v rámci bakalárskeho štúdia na FEI STU zavedený predmet Úvod do fyziky, ktorého návrh a realizácia prebiehali v spolupráci so stredoškolskými učiteľmi fyziky. V príspevku je predstavená štruktúra nového predmetu spolu s prvými kvantitatívnymi ukazovateľmi poukazujúcimi na jeho význam. Na druhej strane, s cieľom zlepšiť fyzikálno-technické vzdelávanie už na stredných školách, boli zavedené experimentálne merania z fyziky pre študentov stredných škôl na FEI STU. Kľúčové slová: všeobecná fyzika, technika, vzdelávanie Úvod V súčasnosti sme svedkami postupnej redukcie výučby fyziky na stredných školách s najvýraznejším dopadom na znalosti kvantitatívneho využívania fyzikálnych zákonitostí. Tieto predstavujú schopnosti študentov číselne charakterizovať fyzikálne javy, vyjadrovať vzťahy medzi nimi matematickými rovnicami či zhodnotiť experimentálne meranie. Kým z hľadiska všeobecného vzdelania je diskutabilné, v akej miere sú takéto znalosti potrebné pre laickú verejnosť, a je možné, že v budúcnosti budú postupne marginalizované, tak ako sa to stalo v minulosti klasickým jazykom, pre tú časť populácie, ktorá bude pokračovať v štúdiu na technických smeroch, sú práve tieto znalosti potrebné. Energetik musí dobre rozumieť problematike premeny rôznych foriem energie, inžinier z oblasti telekomunikácií musí chápať a vedieť používať znalosti o šírení elektromagnetických vĺn, robotik musí mať praktické znalosti o riadení elektromechanických systémov, mikroelektronik, či v 21. storočí už nanoelektronik, musí rozumieť fyzikálnym princípom nových súčiastok a senzorov, aby ich dokázal integrovať v moderných zariadeniach. Tieto príklady vychádzajú zo študijných programov na Fakulte elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave (FEI STU), no podobné príklady možno uviesť aj pre ostatné technické fakulty. Potreba fyzikálneho vzdelania pre technické smery sa evidentne prejavuje aj na štruktúre programov popredných svetových univerzít v prvých dvoch rokoch štúdia. Napríklad Department of Information Technology and Electrical Engineering na ETH Zürich vo Švajčiarsku vyžaduje povinné absolvovanie predmetov Technická mechanika (3-1), Fyzika 1 (4-1), Fyzika 2 (4-2), kde (N- M) zodpovedá týždennej hodinovej dotácii N prednášok a M cvičení [1], podobne je to na School of Engineering, Stanford University [2], Department of Engineering, University of Cambridge [3] a mnohých ďalších. Hoci tieto školy môžu byť pre univerzity na Slovensku len vzdialenými cieľmi, predsa môžu slúžiť pre orientáciu, ktorým smerom by sa formovanie štúdia malo u nás uberať. Úvod do fyziky Napriek evidentnej potrebe kvalitného vzdelávania vo fyzike pre techniku, vyššie načrtnutý vývoj na stredných školách pôsobí presne v opačnom smere. Z hľadiska zvládania základného vysokoškolského kurzu fyziky študentmi sa ukazuje ako najkritickejšia ich schopnosť riešiť problémy - príklady. V školskom roku 2011/2012 bol preto do prvého semestra všetkých bakalárskych programov na FEI STU zaradený povinný predmet Úvod do fyziky. Jeho cieľom je tréning v riešení jednoduchých fyzikálnych úloh pomocou znalostí na úrovni súčasnej stredoškolskej fyziky [4]

46 Rozsah predmetu je 1 hodina prednášky a 2 hodiny cvičenia týždenne, pričom prednášky prebiehajú len každý druhý týždeň v dvojhodinovom rozsahu. Každá téma, uvedená prv na prednáške, sa v dvoch nasledujúcich týždňoch na cvičeniach precvičuje riešením príkladov a zadávaním domácich úloh (4 príklady týždenne). Celkovo za semester (12 týždňov) každý študent prepočíta typicky asi 100 príkladov. Predmet pozostáva z 5 tém: (1) množstvá látky a energie, (2) rovnomerný a rovnomerne zrýchlený pohyb v jednom rozmere, (3) rovnomerný a rovnomerne zrýchlený pohyb v rovine, (4) sila a jej pôsobenie a (5) inerciálne a neinerciálne súradnicové systémy. Šiesta dvoj-prednáška je venovaná fyzikálnemu úvodu do diferenciálneho a integrálneho počtu, a teda prekračuje hlavný cieľ predmetu. Zároveň ale táto téma už nemá časový priestor pre precvičovanie na cvičeniach z dôvodu vyššie vysvetlenej organizácie tém prednášok a cvičení. Predmet je hodnotený klasifikovaným zápočtom na základe vypracovávania domácich úloh (60 bodov) a dvoch testov (2x 20 bodov), pričom pre absolvovanie bolo potrebné získať minimálne 56 bodov. Tieto kritériá boli nastavené s cieľom umožniť absolvovanie predmetu väčšine študentov. Súčasťou zavedeného predmetu bolo zapojenie piatich učiteľov fyziky z bratislavských gymnázií do vedenia cvičení. Táto spolupráca výrazne prispela k tvorbe formy a obsahu predmetu, so zreteľom na posun vo výučbe vo fyzike na stredných školách. Obr. 1: Histogram bodov za testy z Úvodu do Fyziky, jeseň Na obrázku 1 sú zobrazené výsledky testov písaných v rámci predmetu. Výsledky nie sú dobré, a to aj napriek tomu, že príklady boli vyberané zo stredoškolskej zbierky príkladov [4]. Porovnanie výsledkov pre 1. a 2. test tiež naznačuje, že po dvoch týždňoch cvičení získali študenti porovnateľnú úroveň schopnosti riešiť problémy v každej z tém. Treba poznamenať, že študenti, ktorí z takýchto testov získali 0-2 body, sa na technickú fakultu nemali hlásiť ani dostať. Cieľom predmetu je podporiť študentov s priemernými výsledkami, ktorí mali slabšiu prípravu z fyziky na strednej škole, aby boli pripravení na štúdium nasledujúcich predmetov, špeciálne pre predmet Fyzika 1. Zaujímavým je preto porovnanie výsledkov študentov v riešení príkladov testov v predmete Fyzika 1 [5], ktorý si študenti zapisujú po absolvovaní Úvodu do fyziky, s a bez absolvovania Úvodu (Obr.2). Predmet Fyzika 1 predstavuje prvú časť štandardného vysokoškolského kurzu fyziky na technických univerzitách, v ktorom je problematika adresovaná v Úvode považovaná za zvládnutú. Ako vidieť z diagramu, študenti, ktorí absolvovali Úvod do fyziky na jeseň 2011 a následne si zapísali predmet Fyzika 1 (2012), dosiahli lepšie výsledky ako ich predchodcovia, ktorí predmet

47 Úvod do fyziky nemali zaradený v štúdiu (2011). Úvod do fyziky bude súčasťou študijných programov aj v nasledujúcich rokoch, pričom výsledky testov budú aj naďalej monitorované. Obr. 2: Histogram bodov z testov v predmete Fyzika 1, pre študijné programy Priemyselná informatika a Telekomunikácie v rokoch 2011 a Fyzikálne merania pre stredné školy Ako vidieť z výsledkov dosahovaných v Úvode do fyziky, jedným z vážnych problémov prípravy študentov stredných škôl pre štúdium na technických univerzitách je ich slabý tréning v riešení úloh. Druhou výraznou zmenou vo výučbe fyziky v posledných rokoch je redukcia laboratórnych meraní, vynútená najmä znižovaním časovej dotácie pre fyziku, no v mnohých prípadoch aj absenciou vhodných laboratórií či experimentálnych zostáv. Na druhej strane, oddelenia fyziky či katedry fyziky na technických fakultách majú laboratóriá, ktoré s výnimkou semestrov, t.j. 2x 12 týždňov v roku, sú typicky nevyužívané. Istá forma poskytnutia týchto priestorov a vybavenia pre stredné školy, by mohla napomôcť nielen v riešení tohto problému, no zároveň by prispela aj k spolupráci medzi strednými školami a univerzitami. V tomto duchu sa vo februári 2012 realizovali prvé fyzikálne merania na FEI STU pre študentov maturitných ročníkov gymnázií Metodova, Tomášikova a Tilgnerova. Meraní sa zúčastnili len tí študenti, ktorí majú na svojej domovskej škole zapísaný seminár z fyziky. Jedno meranie študentov, typicky 15 študentov z jedného gymnázia, prebehlo v priebehu 2-3 hodín vopred dohodnutého dňa. Študenti boli rozdelení na 5-7 skupín, pričom jedna skupina merala jednu konkrétnu úlohu. Úlohy, ktoré sa ukázali ako vhodné vzhľadom na znalosti študentov, zahŕňali [6]: Matematické kyvadlo, Rýchlosť zvuku, Koeficient teplotnej rozpínavosti vzduchu, Zrážka dvoch telies, Stojaté vlnenie struny, Infračervené žiarenie, Špecifický náboj elektrónu. Časový rámec realizácie meraní sa skladal zo zadelenia úlohy skupine na seminári z fyziky (1. týždeň), na následnom seminári konzultovali prípadné nejasnosti v zadaní so svojím učiteľom fyziky (2. týždeň), v čase 3. seminára študenti realizovali samotné merania v laboratóriách FEI STU (3. týždeň), pod dohľadom svojho učiteľa a troch pedagógov Oddelenia fyziky FEI STU. Nakoniec študenti meranie spracovali a výsledky si vzájomne prezentovali na seminári z fyziky (4. týždeň). Hoci každá skupina realizuje len jedno z vyššie uvedených meraní, konečné prezentácie predstavujú možnosť získať predstavu o všetkých meraniach aj pre ostatných študentov. Pre zhodnotenie významu meraní nie sú k dispozícii kvantitatívne ukazovatele, no aspoň nepriame informácie od učiteľov naznačujú, že takáto forma projektovej laboratórnej výučby sa stretla u študentov s pozitívnou odozvou. Vyššie opísaný formát meraní budeme realizovať pravidelne počas každého skúškového obdobia (január-február a máj-jún), pričom snahou bude zapojiť čo

48 možno najväčší počet stredných škôl. Sústredenie laboratórnych meraní pre viaceré školy na jednom mieste (FEI STU) naviac umožní efektívnejšie využívanie už existujúcich experimentálnych zariadení či nákup nových zaujímavých meraní. Záver Vzdelávanie vo fyzike na stredných a vysokých školách prechádza cez náročné obdobie reforiem, redukcie a straty záujmu u študentov. Je preto potrebné hľadať formy ako zabezpečiť kvalitné vzdelanie v tejto oblasti pre budúcich technikov. V príspevku boli prezentované dve takéto formy: (1) zavedenie predmetu Úvod do fyziky s cieľom vybaviť študentov praktickými znalosťami riešenia jednoduchých úloh a (2) organizovaním laboratórnych meraní na FEI STU pre technicky orientovaných študentov gymnázií. Úvod do fyziky možno vnímať ako službu fyzikov pre budúcnosť techniky, pretože bez kvalitne vzdelaných inžinierov s pracovnou znalosťou fyziky nebude možné nielen vyvíjať nové technické riešenia, ale ani kvalifikovane používať už existujúce technológie. Na druhej strane, organizácia laboratórnych cvičení "technikou" (FEI STU) pre študentov seminárov z fyziky z viacerých gymnázií možno vnímať ako službu pre vzdelávanie vo fyzike na stredných školách. Motorom týchto aktivít je presvedčenie, že takéto vzájomné služby prispejú k prekonaniu problémov, s ktorými v súčasnosti zápasia učitelia fyziky na stredných školách a univerzitách. Poďakovanie Autor chce vysloviť poďakovanie kolegom, ktorí boli do aktivít spomínaných v príspevku zapojení a výrazne prispeli k ich úspešnej realizácii, a to najmä Jane Bartkovjakovej, Emílii Čechvalovej (Gymnázium Tomášikova, BA), Jane Camara (Gymnázium Metodova, BA), Ingrid Matajsovej (Gymnázium Tilgnerova, BA), Gustávovi Šuttovi (Gymnázium Ivana Horváta, BA) a Táni Šrámkovej, Petrovi Markošovi, Petrovi Dieškovi, Jurajovi Chlpíkovi, Júliusovi Cirákovi z Oddelenia fyziky ÚJFI FEI STU. Literatúra [1] Študijný program ETH Zürich, [citované ]. Dostupné na internete: < [2] Študijný program Stanford University, [citované ]. Dostupné na internete: < [3] Študijný program University of Cambridge, [citované ]. Dostupné na internete: < [4] TOMANOVÁ E. a kol Zbierka úloh z fyziky pre gymnázium, I. časť, SPN, Bratislava [5] BOKES, P Príklady z testov predmetu Fyzika 1 za roky 2012, 2011 [online], [citované ] Dostupné na internete: < [6] Návody na praktické cvičenia z fyziky, FEI STU [online], [citované ] Dostupné na internete: < Adresa autora doc. Ing. Peter Bokes, PhD. Ústav jadrového a fyzikálneho inžinierstva Fakulta elektrotechniky a informatiky Slovenská technická univerzita v Bratislave Ilkovičova Bratislava peter.bokes@stuba.sk

49 TVORIVOSŤ JE FAJN Mária Bystrianska, Michaela Reichelová, Ľubomíra Valovičová KF UKF v Nitre Abstrakt: Detské tábory sú formou jednorazovej voľnočasovej aktivity, ktorá slúži nielen pre oddych a vyplnenie voľného času detí, ale aj na prehlbovanie a rozširovanie vedomosti získaných v škole. Tábory môžeme považovať aj za jednu z foriem neformálneho vzdelávania. V príspevku je predstavený tábor FAJN, ktorý je organizovaný počas letných prázdnin Katedrou fyziky FPV UKF v Nitre už od roku Kľúčové slová Tvorivosť, tábor, táborová činnosť, Sokratovský dialóg, Úvod Leto nie je len časom ničnerobenia, ale aj časom, kedy možno objaviť, spoznať, nájsť, navštíviť a najmä získať množstvo nových zážitkov a poznatkov. Je to obdobie, kedy sa deti môžu naplno venovať svojim koníčkom, záľubám a voľnočasovým aktivitám. Ďalšími možnosťami ako tráviť voľný čas počas leta sú tábory. Letné tábory dávajú možnosť deťom, ale aj učiteľom (vedúcim) objavovať čaro fyziky a prírodných vied hravou a zábavnou formou, čím si ani neuvedomujú, že sa vzdelávajú. Správnym pôsobením si deti môžu utvrdiť, objaviť a aj osvojiť nové poznatky, ktoré možno raz využijú v ďalšom živote a štúdiu. Tvorivosť Detské tábory sú formou jednorazovej voľnočasovej aktivity, ktorá slúži nielen pre oddych a vyplnenie voľného času detí, ale aj na prehlbovanie a rozširovanie vedomosti získaných v škole. Samotný pojem tábor a táborová činnosť definujú viacerí autori, ktorí pod táborovou činnosťou chápu: organizovanú činnosť s deťmi mládežou, aj s rodičmi deti vykonávanú v dobe dlhodobého voľna t.j. počas letných, jarných, alebo vianočných prázdnin. Doba trvania tábora je spravidla dlhšia ako 5 dní. [1] Tábory môžeme považovať aj za jednu z foriem neformálneho vzdelávania, kde je niekedy ľahšie ako v škole rozvíjať schopnosti a zručnosti detí, medzi ktoré patrí aj tvorivosť. Je dôležité si uvedomiť, že pri deťoch sa jedná o tzv. subjektívnu tvorivosť. Tvorivosť je aktivita, ktorá prináša dosiaľ neznáme a súčasne spoločensky hodnotné výtvory (tvorivosť u dospelých). Preto je charakterizovaná ako objektívna tvorivosť. Subjektívna tvorivosť je u detí. Dieťa dokáže vytvoriť také produkty, ktoré predtým nevytvorilo, preňho sú hodnotné, ale nie sú hodnotné pre spoločnosť. [2] Torrance hovorí, že: Od tvorivej činnosti detí nemôžeme očakávať sociálny prínos. Pri tvorivej činnosti detí ide o výchovný význam pre mnohostranný vývin osobnosti dieťaťa a rozvíjanie jeho psychologických najmä kognitívnych funkcií a schopností. [3] Tvorivosť ako taká sa vyznačuje špecifickými znakmi a funkciami, ktoré sú veľmi dôležité a práve pomocou týchto znakov možno sledovať a tiež hodnotiť rozvoj samotnej tvorivosti. Ide o fluenciu (schopnosť vytvárať čo možno najviac nových riešení), flexibilitu (schopnosť vytvárať rôznorodé riešenia), originalitu (schopnosť produkovať nezvyčajné a neočakávané riešenia), senzitivitu (schopnosť všimnúť si, vystihnúť, postrehnúť problém), redefinovanie (schopnosť zmeniť význam a použitie predmetov) a elaboráciu (schopnosť vypracovať detaily riešení). Pri rozvoji tvorivosti využívame viaceré metódy ako brainstorming a Sokratovský dialóg. Sokratovský dialóg je umenie naslúchať a pýtať sa, kedy učiteľ (facilitátor) nedáva jasné odpovede

50 na položené otázky a problémy detí, ale s nadhľadom kladie ďalšie otázky, ktoré nútia zamyslieť sa deti a prísť s novým riešením. Tábor Fajn Tábor FAJN je organizovaný počas letných prázdnin Katedrou fyziky FPV UKF v Nitre už od roku FAJN je päťdňový mestský denný tábor, ktorý navštevujú deti z Nitry a okolia vo veku 10 až 15 rokov. Termín konania tábora sa ustálil na poslednom augustovom týždni, kedy sú deti oddýchnuté a pozitívne naladené na začiatok školského roka. Snažíme sa, aby každý ročník tábora mal svoju myšlienku. Ide nám najmä o to, aby sme deťom priblížili fyziku, s ktorou sa stretávajú na každom kroku a je všade okolo nás. Podtituly doterajších táborov boli: Objavovanie živlov, Svet okolo nás, Energia okolo nás, Voda okolo nás, Fyzika v meste. Cieľom táborov je rozvíjať tvorivosť detí a vytvárať pozitívny vzťah k prírodným vedám, hlavne k fyzike. Našou snahou je priblížiť deťom fyziku trochu netradičným spôsobom. Chceme, aby deti mali v tábore pocit, že sa hrajú, ale pritom sa v rámci hier učili a tiež rozvíjali svoju tvorivosť. Každý rok sa snažíme vymýšľať nové aktivity, aby sa tábora mohli zúčastniť aj deti, ktoré tábor už absolvovali a opäť sa niečo nové naučili alebo naučené veci si iným spôsobom zopakovali. Denný program tábora je rozdelený do štyroch častí, ktoré sa snažíme zachovať každý rok a mení sa len obsah častí: 1) NOVINÁRI. Na začiatku každého dňa je úlohou všetkých detí napísať správu dňa, kde každé dieťa zhrnie zážitky z predchádzajúceho dňa. Táto časť býva každý rok iná. Našou snahou je, aby deti, ktoré poznajú tábor, neupadli do stereotypu, ale museli prichádzať s novými opismi predošlých dní. Takto absolvovali noviny, nástenky, info-billboardy a pod. 2) POJMY. Je časťou, v rámci ktorej sa pre deti pripravujú rôzne úlohy, ktoré na prvý pohľad nesúvisia s fyzikou. Deti po splnení týchto úloh získajú fyzikálne pojmy, s významom ktorých sa musia oboznámiť. Oboznámia sa teda s pojmami, ktoré nepoznajú, naučia sa ich správne definovať a pochopia ich, čo im pomôže v školskom vyučovaní. 3) HEURÉKA. Je najdôležitejšou časťou tábora z pohľadu tvorivosti a samostatnej práce detí. V tejto časti deti robia netradičné fyzikálne merania. Ide o laboratórne úlohy, ktoré sú deťom zaujímavo zadávané a súvisia s každodenným životom. Laboratórne úlohy nie sú deťom zadávané priamo s návodom na riešenie, ale chceme od nich, aby deti prišli s vlastnými návodmi, ako riešiť úlohy. 4) HRY. Poobede prebieha posledná časť táborového dňa. Okrem rozvoja tvorivosti sa snažíme rozvíjať aj iné schopnosti, a práve hry nám dávajú priestor na rozvoj medziľudských vzťahov, komunikačných schopností, schopnosti pracovať v tíme, ovládať svoje emócie, a tiež niesť zodpovednosť za seba a aj iných. Tohtoročný tábor Tento rok bol tábor s podtitulom Energia okolo nás. Počas týždňa sa deti oboznámili s množstvom pojmov týkajúcich sa energie: mechanická energia, práca, polohová, pohybová energia, zákon zachovania energie, výkon a ďalšie. Každý deň sa niesol v znamení štyroch častí, kde sa deti oboznamovali s pojmami a s nimi súvisiacimi experimentmi. Aby sme zistili, či sa deti počas jednotlivých dní niečo naučili, niečo si zapamätali, a s niečím sa oboznámili, pripravili sme celodennú aktivitu, ktorá nemala charakter predchádzajúcich dní, ale spájala v sebe poznatky, ktoré počas nich mali možnosť získať. Vymysleli sme pre deti prácu na patentovom úrade, kde museli využiť tieto získané poznatky. Celý deň bol zameraný na jeden problém, ktorý mali deti vyriešiť: vymyslieť a zostrojiť zariadenia, ktoré mali fungovať na princípe využitia slnečnej energie

51 Po príchode detí do tábora ich privítal riaditeľ patentového úradu spolu so spolupracovníkmi. Uviedol ich do deja príbehu, v ktorom boli vynálezcami, ktorí si chcú dať patentovať svoje vynálezy a zadal im tri úlohy, ktoré mali počas dňa vyriešiť. Úlohy zneli: 1.) Upečte zemiak bez použitia ohňa. 2.) Uchovajte plechovku s nápojom v chladnom stave čo možno najdlhšie. 3.) Vyčistite vodu tak, aby bola pitná. Deti sa rozdelili do troch tímov, ktoré spoločne začali pracovať na zadaných úlohách. Mali pol dňa na vymyslenie, navrhnutie, zhotovenie a overenie svojich návrhov na patenty, pričom svoje prvotné návrhy prednášali pracovníkom patentového úradu (jednotliví animátori tábora). Pracovníci patentového úradu zhodnotili samotný návrh a taktiež to, či je návrh realizovateľný v podmienkach tábora. Keď uplynula určitá doba od zadania úloh a deti neprišli so žiadnym riešením, prišli na rad nápovede zo strany pracovníkov patentového úradu. Formou Sokratovského dialógu navádzali deti k riešeniam. V tomto prípade otázky slúžili k tomu, aby sa deti zamysleli nad javmi, dejmi, vecami, predmetmi z bežného života a svojho okolia. Deti hľadali súvislosti medzi tým, čo už poznajú, a s čím sa stretli. Taktiež otázky navádzali deti zamyslieť sa nad tým, čo by spravili v určitej situácii, čo malo za následok, že si boli schopní pospájať poznatky zo školy, vlastné skúsenosti a odpozorované informácie. Sokratovskou metódou tak deti objavili nové veci. Po samotnom objavení možného riešenia predniesli pracovníkom patentového úradu svoj návrh. Počas vymýšľania návrhov deti rozvíjali svoju tvorivosť. Išlo hlavne o umožnenie deťom vytvárať čo najviac návrhov riešení daných úloh (fluencia), ktoré často mali aj rozmanité metódy riešenia (flexibilita). Nápadov detí bolo veľa, ale pracovníci patentového úradu upozornili deti, že nápad, ktorý sa rozhodnú zhotoviť, a teda aj dať na posúdenie riaditeľovi, by mal byť tým najlepším a mal by byť aj originálny a najmä funkčný. Selekcia nápadov prebiehala formou brainstormingu, kde deti najskôr vytvorili viaceré riešenia jednotlivých úloh. Potom na základe kritérií pracovníkov patentového úradu tieto svoje riešenia podrobili kritike. Nakoniec deti vybrali na základe kritérií ten naj patent a ten zhotovili a overili jeho funkčnosť. Po schválení ich návrhu nasledovala ďalšia časť aktivity a to samotné zhotovenie a overenie patentu v praxi. Úloha: Uchovajte plechovku s nápojom v chladnom stave čo možno najdlhšie. Pri úlohe o chladení nápoja prišli za pracovníkmi úradu s tým, že by chceli vykopať jamu, do ktorej by umiestnili nápoj, alebo chceli nápoj umiestniť do tečúcej vody. Tieto nápady však neboli pracovníkmi úradu odobrené, pretože v areály Fakulty prírodných vied UKF sa nenachádza zdroj tečúcej vody a chladiarenský patent mal byť ľahko prenosný. Nakoniec boli zhotovené tri chladničky, z ktorých jedna fungovala na princípe kalorimetra (dvoch nádob, medzi ktorými bola vata), druhá chladnička bola nádoba obalená alobalom, naplnená vodou, v ktorej bol ponorený nápoj. Tretia chladnička bola založená tiež na princípe kalorimetra, ale namiesto vaty bola medzi nádobami voda

52 Obr. 1 Návrhy chladničiek - zhotovenie a záverečné meranie teploty Úloha: Upečte zemiak bez použitia ohňa. Najväčšiu rozmanitosť nápadov sme mohli pozorovať pri konštrukcii pece. Zo začiatku prichádzali s návrhmi týkajúcimi sa založenia ohňa. Keďže zakladanie ohňa v priestoroch átria univerzity je zakázané, takýto návrh patentový úrad nemohol prijať. Taktiež boli zamietnuté nápady s použitím variča, zápaliek alebo zapaľovača. Zrealizované boli tieto tri návrhy. Prvá pec, ktorú deti zhotovili, fungovala na princípe koncentrácie slnečných lúčov do jedného bodu, kde bol umiestnený zemiak, ktorý sa týmto spôsobom mohol upiecť. Ďalšia pec fungovala na princípe čierneho telesa, ktoré pohlcovalo teplo z okolitého prostredia, čo spôsobovalo zvýšenie teploty vo vnútri pece. Posledný patent využíval slnečnú energiu, ktorá bola násobená jedným zrkadlom, pričom samotná pec bola obalená potravinárskou fóliou, ktorá slúžila na udržanie tepla v nej. Obr.2 Návrhy pecí Úloha: Vyčistite vodu tak, aby bola pitná. Pri úlohe o pitnej vode deti vymysleli filtračku vody, zostavenú z hustého sitka, alebo chceli vodu filtrovať cez vatu a pod.. Nakoniec všetky deti prišli s patentom filtrovať vodu pomocou slnečnej energie, a to tak, že sa voda vyparovala z jednej nádoby a kondenzovala sa v zbernej nádobe. Tento patent pracovníci hodnotili na základe čírosti vody a množstva zrniek piesku a hliny v nej

53 Obr. 3 Výroba filtračky vody a samotná filtrácia To, že deti skutočne využili svoju tvorivosť, môžeme zdôvodniť tým, že každá navrhnutá pec na pečenie zemiakov, každá chladnička na chladenie nápoja, či filtračka vody bola iná, originálna. Všetky návrhy boli niečím špecifické, iné, jedinečné. Patenty sa navzájom líšili nielen konštrukciou, tvarom, ale aj materiálovým zložením. Všetky návrhy boli aj otestované v praxi a boli na nich vykonané merania spoľahlivosti a funkčnosti. Merania robili pracovníci patentového úradu, ktorí v prípade pecí merali maximálnu dosiahnutú teplotu. V prípade chladničiek merali konečnú teplotu nápoja, ktorý na začiatku, pri vložení do chladničky, mal teplotu 14 C a v prípade filtračky už spomínanú čírosť a čistotu prefiltrovanej vody. Nakoniec dali skupiny všetky svoje tri patenty do písomnej podoby s nákresmi, schémami, pomôckami potrebnými k výrobe, ako aj s postupom zhotovenia. Postupy, schémy a nákresy museli odovzdať na patentovej listine, ktorú museli samostatne vyrobiť pomocou slnka. Zhotovovanie listín bolo zámerne pripravené najmä pre najmladších účastníkov tábora, ktorí pri realizácii zadaných úloh ostatným členom skupiny neboli až tak nápomocní. Zhotovené patentové listiny odovzdali riaditeľovi patentového úradu, ktorý spolu so spolupracovníkmi dal svoj súhlas k udeleniu patentu jednotlivým skupinám za ich prínos vo fyzike a pre spoločnosť. Obr. 4 Výroba patentových listín a zapečatenie jednotlivých návrhov

54 Záver Tvorivosť je zložitý psychologický pojem, ktorý vyjadruje schopnosť človeka vytvárať nové veci. Je to schopnosť, ktorú treba rozvíjať v každom z nás a myslíme si, že denný letný tábor FAJN je jednou z možností ako to dosiahnuť a dáva možnosť všetkým deťom rozvíjať svoju tvorivosť a popritom sa ešte aj niečo naučiť. Denný letný tábor FAJN je jednou z možností ako zmysluplne stráviť posledné voľné chvíle počas prázdnin. Myslíme si, že je vhodnou formou propagácie prírodných vied a najmä fyziky. To, že sa k nám rok čo rok deti vracajú je zas ukazovateľom toho, že je náš tábor pre deti zaujímavý a obľúbený. Zmysel tohto tábora vidíme taktiež aj v tom, že sa tu deti naučia pracovať s rôznymi prístrojmi, meračmi a meradlami, nachádzajú tu vysvetlenia pre ne záhadných veci a javov, sú plné nápadov. Okrem hmotných vecí, ktoré si sami vyrobia si odnášajú množstvo zážitkov, skúseností, kamarátov a vedomostí. Poďakovanie Chceli by sme sa poďakovať Nitrianskej komunitnej nadácii a spoločnosti InsData, ktoré nám poskytli prostriedky na realizáciu tábora. Literatúra [1] PÁVKOVA, J. a kol. 2002: Pedagogika voľného času, Portál, Praha, 2002, 231str., ISBN [2] ĎURIČ, L.: Naša škola a rozvoj tvorivého myslenia. In: Psychológia a škola IX. Bratislava : SPN, 1986, s [3] Shaughnessy, M.: An Interview with E. Paul Torrance: About Creativity. Educational Psychology Review, vol. 10, No. 4, 1998, s ISSN: X Adresa autora Mgr. Mária Bystrianska Mgr. Michaela Reichelová PaedDr. Ľubomíra Valovičová, PhD. Katedra fyziky, Fakulta prírodných vied, Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre Trieda Andreja Hlinku 1, NITRA maria.bystrianska@ukf.sk michaela.reichelova@ukf.sk lvalovicova@ukf.sk

55 MOŽNOSTI VYUŽITIA ASTRONOMICKÝCH DATABÁZ V PRÍPRAVE UČITEĽOV FYZIKY Mária Csatáryová C, Štefan Parimucha P, Martin Šechný Š C FHPV PU Prešov P PF UPJŠ Košice Š SPŠE Prešov Abstrakt: V príspevku sú prezentované niektoré z možností využitia dostupných astronomických databáz v predmete Astronómia a astrofyzika v rámci výučby študentov učiteľských študijných programov. V súvislosti s rozvíjaním profesijných kompetencií budúcich učiteľov fyziky, autori článku poukazujú na možnosti využitia týchto databáz v učive fyziky na strednej škole a v činnosti záujmových útvarov s astronomickým zameraním. Kľúčové slová: astronomická databáza, CDS, Simbad, Aladin, VizieR Úvod Súčasný rozvoj IKT umožňuje učiteľovi fyziky prístup k najrôznejším informáciám v oblasti astronómie. Spracovanie nameraných dát je dôležitou súčasťou prípravy učiteľov fyziky, pretože simuluje reálny postup fyzikálneho výskumu. Modelové úlohy merania a spracovania dát, ktoré sa pri takejto simulácii aplikujú, sú didakticky vhodné pre každú tematickú oblasť vyučovania fyziky. Ich efektívnu aplikáciu v školskej praxi vidíme predovšetkým vo vyučovaní astronómie. Pri riešení vybraných úloh z tejto oblasti študenti neraz potrebujú dostatok informácii v podobe nameraných dát, ktoré môžu získať pomocou CDS portálu bez reálneho pozorovania. Špeciálne astronomické databázy tak poskytujú prístup k obrovskému množstvu dát bez potreby drahého vybavenia pre astronómov. Súčasné vybavenie jednotlivých typov škôl informačnou technikou umožňuje žiakom aj učiteľom spracovávať dostatočné množstvo dát z oblasti astronómie, čo napomáha využitiu získaných praktických zručnosti nielen v danom odbore. Práca s astronomickými databázami môže byť využitá v rôznych úrovniach, t.j. svoje znalosti a skúsenosti môžu študenti využiť aj pri práci v mimoškolských záujmových útvaroch. V článku sa zameriavame len na základnú úroveň práce s portálom CDS, astronomickými databázami SIMBAD, VizieR a program Aladin, ktorý vie pracovať s týmito databázami. CDS portál Najprístupnejšie astronomické databázy môžeme nájsť na CDS portáli 1, ktorý je prevádzkovaný Štrasburským observatóriom vo Francúzsku (The Centre de donnees astronromiques de Strasbourg). CDS portál poskytuje prístup k astronomickým dátam z rôznych zdrojov. Jeho súčasťou je databáza Simbad, vyhľadávač v katalógoch VizieR a softvér Aladin, ktorý okrem iného poskytuje vizualizáciu dát. Súčasťou CDS portálu sú aj astronomické katalógy, register astronomických skratiek, knižničné vyhľadávanie jednotlivých astronomických objektov a jednoduché príručky na prácu s dostupným astronomickým softvérom. SIMBAD Simbad (Set of Identifications, Measurements and Bibliography for Astronomical Data) je referenčná databáza pre identifikáciu astronomických objektov. 2 Databáza Simbad obsahuje identifikáciu objektu, základné dáta o objekte, bibliografické referencie a vybrané pozorovania. Astronomické objekty sú rôznych typov hviezdy, galaxie, hmloviny a iné. Dáta pochádzajú 1 2 CDS portál: Simbad:

56 z rôznych zdrojov a z celosvetovej astronomickej literatúry. Zahrnuté sú hlavne katalógy Hipparcos, Tycho, hviezdne katalógy (PPM, HIC, CCDM), širokospektrálne katalógy (IRAS PSC, Einstein) a katalógy zdrojov X žiarenia. Pri výbere katalógov je kladený dôraz na pokrytie pozorovania na viac vlnových dĺžok. Súbežne systematické prehľadávanie bibliografických odkazov vybraného astronomického objektu vo všeobecných trendoch astronomického výskumu umožňuje rýchle zorientovanie daného objektu. Prácu s databázou SIMBAD ukážeme na nasledujúcom ilustračnom príklade: Vo webovom prehliadači si zobrazíme úvodnú stránku databázy Simbad. Môžeme vyhľadávať astronomické objekty podľa identifikátora, súradníc, referencií a podľa iných kritérií. V prípade, že chceme vyhľadávať veľa objektov, môžeme napísať skript, čo umožňuje hromadné vyhľadávanie so zadanými kritériami. Zvolíme si vyhľadávanie podľa identifikátora, hľadáme M13 (guľovú hviezdokopu). Databáza nám poskytne základné informácie o zvolenom objekte súradnice, názov, obrázok, identifikátory pre rôzne katalógy, bibliografické referencie, všetky pozorovania, kde si možno nájsť konkrétny obrázok. Pri zobrazených informáciách o objekte môžeme pokračovať niektorým zo štyroch programov plot, CDS portal, CDS Simplay, Aladin applet. Plot vykreslí zvolenú oblasť a na obrázku budú identifikované všetky typy objektov zvoleného zorného poľa. Voľbou CDS Simplay získame pekný obrázok s identifikovanými typmi objektov a tabuľkou parametrov pre každý objekt. Prístupný je aj interaktívny digitálny atlas3, ako je znázornené na obrázku 1. VizieR Databáza VizieR predstavuje množstvo katalógov astronomických dát. Astronomické katalógy sú uchovávané v pôvodnej podobe, ale opisy všetkých týchto dát sú poskytované v záujme maximalizácie ich použiteľnosti. Používateľské prostredie umožňuje vybrať si danú misiu a Vizier nám ponúkne všetky dostupné katalógy a ich tabuľky. Môžeme špecifikovať niektoré dáta, čo je veľmi výhodné pre hľadanie konkrétnych objektov napr. premenných hviezd do určitej magnitúdy a periódy, alebo v súčasnosti veľmi preferovaného vyhľadávania exoplanét. Ak si zvolíme cieľ hľadania katalóg exoplanét s časovou periódou dostávame tabuľku, kde môžeme presne ohraničiť vlastnosti exoplanét, ktoré hľadáme. Ukážme si to na príklade s obrázkami 2, 3, 4: Vyberme si napr. exoplanéty, ktoré majú hmotnosť menšiu ako je 8 hmotností Jupitera a periódu väčšiu ako dní a dostávame zoznam hviezd, ktorých exoplanéty spĺňajú dané kritéria. Existujú tu funkcie na vytvorenie grafu požadovaných vlastností. 3 Bonnarel et al

57 Obr. 2: Vyhľadávanie exoplanét v katalógu VizieR Obr. 3: Tabuľka hviezd s exoplanétami Obr. 4: Závislosť hmotnosti na perióde pre dané exoplanéty Aladin Aladin je voľne dostupný interaktívny softvér, ktorý umožňuje vizualizáciu astronomických objektov a to aj prekrývaním vstupných dát z rôznych astronomických katalógov. Obsahuje vstavaný softvér pre jednotlivé výpočty a vykresľovač grafov. Voľbou obrázkového servera, alebo katalógového servera dostávame ďalší výber, kde si zvolíme objekt a namerané dáta, ktoré chceme zobraziť. Môžeme sa spojiť s inými servermi, napr. Simbad, VizieR a môžeme vytvoriť obrázky, ktoré sú výsledkom prekrytia dát jednotlivých serverov, a používateľ ich môže vidieť v jednotlivých vrstvách. Každú vrstvu môžeme vidieť aj samostatne prepínaním na paneli nástrojov. Môžeme si vybrať objekt a k nemu získame súvisiace dáta. Aladin poskytuje v paneli nástrojov rôzne možnosti, napr. kontúrovanie snímkov, zoomovanie, rozlíšenie, modifikáciu... Výber jednotlivých možností z panela nástrojov závisí od výberu jednej z troch úrovní používateľa. Pre praktické používanie Aladina máme dostupnú príručku 4 na prácu v rôznych úrovniach

58 vyspelosti používateľa, tiež jednoduché úlohy na precvičenie 5. Nástroj MultiView nám umožní vložiť viac snímkov vedľa seba, čo môžeme využiť pri porovnávaní astronomických objektov. Typickým príkladom je morfologická klasifikácia galaxií, tak ako to urobil Edward Hubble, viď obr. 5. Pre zlepšenie štruktúry daného objektu môžeme využiť kontrast, alebo sfarbenie samotného snímku, obr. 6. Filter Proper motion nám umožní zobraziť vlastný pohyb hviezd v galaxii, ako je uvedené na obr. 7. Obr. 5: Zobrazenie jednotlivých typov galaxií Obr. 6: Kolorovanie obrázku Obr. 7: Vlastný pohyb hviezd v galaxii Určenie vzdialenosti Jedným z príkladov vhodných aj pre prácu v záujmových útvaroch je určovanie vzdialenosti astronomických objektov. V tomto príklade sme zvolili určenie vzdialenosti objektu pomocou lineárnej a uhlovej veľkosti daného objektu. Tento príklad je vhodný na precvičenie prevodov vzdialeností. Zvolíme si objekt SN1604, známy ako Keplerova supernova, ktorá v čase svojho vzplanutia bola na oblohe jasnejšia ako všetky hviezdy a planéty (okrem Venuše) a bola pozorovaná v súhvezdí Hadonosa. V súčasnosti sa na mieste vzplanutia nachádza hmlovina, ktorá sa rozpína veľkou rýchlosťou až km.s

59 Budeme pracovať s programom Aladin, kde si zvolíme profil používateľského prostredia pre študentov (undergraduate). Vyberieme si obrázok objektu SN1604 (Keplerova supernova) z obrázkového servera Hubble, z roku Pre určenie vzdialenosti objektu (d), potrebujeme získať jeho lineárny rozmer (R) a uhlový rozmer (r). Potom pre určenie vzdialenosti pozostatkov supernovy platí jednoduchý vzťah: d = R/r Pre určenie lineárneho rozmeru: R = v.t je potrebné premeniť čas, ktorý od výbuchu uplynul na sekundy. Snímok, ktorého parametre určujeme, je z roku 2004: = 400 rokov = 1, s Potom pre lineárny rozmer dostávame: R = 6, m Pre premenu vzdialenosti na astronomické jednotky parsek využijeme prevod: 1 pc = 3, m Lineárny rozmer zvyšku Keplerovej supernovy je v našom prípade je R = 2,04 pc. Pre zmeranie uhlovej vzdialenosti si vyberieme z panela nástrojov dist a premeriame vzdialenosť vo viacerých smeroch. Strednú vzdialenosť 1,351 oblúkovej minúty prevedieme na radiány: 1 rad = Pre uhlový rozmer pozostatku supernovy dostávame: r = 81,06 = rad Dosadením nameraných hodnôt do základného vzťahu dostávame vzdialenosť SN 1604: d = 3,66 pc / rad = pc Pre prevod na svetelné roky používame: 1 pc = 3,26 svetelného roka Takto určená vzdialenosť pozostatku supernovy SN1604 je svetelných rokov, obr. 8. Výsledok je rádovo správny, presnejší výpočet dostaneme po pridaní dát aj z iných oblastí spektra. Obr. 8: Meranie uhlového rozmeru SN

60 Možnosť určenia vzdialenosti galaxií pomocou premenných hviezd (Ceph) sme uvádzali v článku Csatáryová, Šebeň, Šechný (2011). Ďalšou možnosťou určenia vzdialenosti galaxií je metóda pomocou supernov. Supernova je krátka životná fáza hviezdy, kedy intenzívne žiari a je jasnejšia ako všetky objekty v okolí. Pre jej objavenie v galaxii potrebujeme porovnávať obrázky galaxie namerané v rôznom časovom období s rovnakými parametrami. Ak sa snímky prekrývajú a sú odlišné len vo vybranom objekte, potom tento objekt môže byť supernova. V školskom prostredí je vhodné použiť program Aladin, ktorý reálne modeluje hľadanie supernov. Táto úloha je pre študentov zvlášť zaujímavá, nakoľko zvládnutie tejto metódy im otvára postup možného reálneho objavu. Zvolíme si skúmaný objekt, ktorý by mohol byť supernovou a stiahneme si k nemu dátový súbor FITS 6, napr. pomocou databázy SIMBAD alebo VizieR, alebo priamo v programe Aladin. Kontrast obrázku môžeme vyladiť nástrojom pixel z panela nástrojov programu Aladin. Zobrazenie obrázku zo súboru FITS potrebujeme nakalibrovať prispôsobiť známym súradniciam. Skalibrované obrázky potom možno porovnať a nájsť objekt nachádzajúci sa len na jednom obrázku plynulou zmenou priesvitnosti vrstvy pomocou myši, čím uľahčíme vizuálne porovnávanie dvoch obrázkov. Potvrdenie supernovy je potrebné urobiť v rôznych spektrách žiarenia, preto si natiahneme viac vrstiev z rôznych pozorovaní a skalibrujeme ich. Po kliknutí myšou na objekt nám Aladin zobrazí súradnice objektu. Záver Astronomické databázy v poslednom období vytvárajú rad nových možností ako zatraktívniť výučbu astronómie na všetkých typoch škôl. Zvládnutie základných postupov s astronomickými databázami CDS portálu umožní učiteľovi významne ovplyvniť efektivitu vzdelávacieho procesu, poskytnúť žiakovi nové informačné zdroje a demonštrovať vedecké metódy poznania. Práca s astronomickými databázami v školskej praxi sa v zahraničných vzdelávacích programoch stáva bežnou realitou, determinujúcou výsledky vzdelávacieho procesu. Do akej miery budú využívané u nás, záleží hlavne na učiteľoch, ako dokážu postaviť astrofyzikálne úlohy a rozpracovať vhodnú metodiku na prácu s nimi. Širšiemu uplatneniu informačných zdrojov by jednoznačne prospeli profesionálne vypracované súbory námetov a úloh, ktoré by učitelia mohli využívať pri vyučovaní astronómie vo svojej pedagogickej praxi. Poďakovanie Autori príspevku vyslovujú poďakovanie Nadácii SPP za finančnú podporu projektu. Príspevok bol spracovaný s podporou grantovej agentúry KEGA projekt č. 003PU-4/2012 Optimalizácia aplikácii inovačných technológií v graduálnej príprave budúcich učiteľov. Literatúra [1] WENGER, M & col The SIMBAD astronomical database. In: Astronomy and astrophisics, [online], 2000, arxiv:astro-ph/ v1 [citované 28. mája 2012]. [2] Dostupné na: < [3] CSATÁRYOVÁ, M. ŠEBEŇ, V. ŠECHNÝ, R Virtuálne laboratórium v astronómii - programy Stellarium a Aladin In: Tvorivý učiteľ fyziky IV : národný festival fyziky 2011 vyd. Bratislava: Slovenská fyzikálna spoločnosť, 2011, s ISBN [4] FREISTETTER, F., IAFRATE, G., RAMELLA, M The Sky is for Everyone - Outreach and Educaction with the Virtual Observatory. arxiv: v1 [citované 10. marec 2012]. Dostupné na: 6 FITS Flexible Image Transport System, astronomický dátový formát,

61 [5] WHITE, J.,C The Virtual Observatory and Education : A View From to Classroom. In: R.,J. Brunner, S., G. Djorgovski, A., S. Szalay: Virtual Observatories of the Future, ASP Conference Proceedings, Vol. 225., San Francisco: Astronomical Society of the Pacific, p.159. ISBN Adresy autorov RNDr. Mária Csatáryová, PhD. Katedra fyziky, matematiky a techniky Prešovská univerzita Fakulta humanitných a prírodných vied Ul. 17 novembra č Prešov, Slovakia; maja@unipo.sk doc. Mgr. Štefan Parimucha, PhD. Prírodovedecká fakulta Univerzita Pavla Jozefa Šafárika Jesenná 5, Košice stefan.parimucha@upjs.sk Martin Šechný, Mgr. Stredná priemyselná škola elektrotechnická Prešov Plzenská 1, Prešov martin.sechny@shenk.sk

62 VIRTUÁLNE LABORATÓRIUM V PROJEKTE ŠKOLA ASTRONÓMIE PRE SENIOROV Mária Csatáryová, Vladimír Šebeň Prešovská univerzita v Prešove Abstrakt: Autori v príspevku prezentujú projekt, ktorý vznikol na pôde Prešovskej univerzity v rámci celoživotného a kompetenčného vzdelávania. Škola astronómie pre seniorov predstavuje jednu z možností popularizácie fyzikálnej vedy v spoločnosti. V príspevku sú uvádzané skúsenosti z realizácie tohto projektu. Kľúčové slová: záujmové vzdelávanie dospelých, virtuálne laboratória, Aladin, Stellarium Úvod Celoživotné vzdelávanie patrí v spoločnosti medzi značne pretraktovanú problematiku. V súčasnosti sme svedkami vzrastajúceho záujem o neformálnu edukáciu dospelých. Prejavuje sa postupným nárastom rozmanitých aktivít a čoraz vyšším počtom účastníkov záujmového vzdelávania dospelých. Zapájanie staršej generácie do takýchto aktivít predstavuje predovšetkým priestor pre sebarealizáciu občanov vo voľnom čase ako aj ich ďalšie vzdelávanie založené predovšetkým na reálnom záujme účastníkov. 1 Záujmové vzdelávanie dospelých Záujmové vzdelávanie podľa M. Šeráka (2009, s. 19) možno v najvšeobecnejšom ponímaní definovať ako systém krátkodobých i dlhodobých organizačných foriem, ktoré umožňujú edukačné, rekreačné, poznávacie a tvorivé voľnočasové aktivity účastníkom, realizované neformálnym aj informálnym spôsobom a smerujúce k saturácii ich individuálnych záujmov, k rozvoju a kultivácii osobnosti a k celkovému zlepšeniu kvality života jedinca. Záujmové vzdelávanie ponúkajú verejné aj súkromné ustanovizne. Toto vzdelávanie môže byť financované zo zdrojov samotných účastníkov alebo z verejných zdrojov (príkladom záujmového vzdelávania, financovaného z verejných zdrojov, sú univerzity tretieho veku). Obsahová náplň záujmového vzdelávania je rôznorodá. Vychádza z reálnych situácii a problémov. Pozitívne dôsledky záujmového vzdelávania dospelých sú rozmanité. M. Šerák (2009) upriamuje pozornosť na nasledujúce pozitívne dopady záujmového vzdelávania vo voľnom čase dospelého jedinca. Poukazuje na zlepšenie kvality života staršej generácie, prehĺbenie jej nezávislosti, stimuláciu procesu kultivácie osobnosti, nárast jej životného optimizmu, pozitívneho myslenia, možnosť sociálnej komunikácie, zvýšenie aktivity, tvorivosti a gramotnosti v rôznych oblastiach života týchto osôb. Hlavné ciele záujmového vzdelávania sú podľa M. Tumu (2001) orientované 3-mi smermi: poznávacie ciele cieľom je prehlbovať, alebo získavať nové vedomosti o ktoré má občan záujem, postojové ciele formovanie a dotváranie hodnotovej orientácie občanov, psychomotorické ciele týkajú sa najmä telesných a psychických schopností a spôsobilostí občanov najmä v strednom a staršom veku Prešovská univerzita v Prešove je na verejnosti taktiež známa svojimi aktivitami v oblasti celoživotného vzdelávania. Najznámejšou z nich je Univerzita tretieho veku (UTV). Organizačne i garančne ju zabezpečuje Centrum celoživotného a kompetenčného vzdelávania, ktoré je súčasťou organizačnej štruktúry Prešovskej univerzity. Poslaním UTV je medzi iným zlepšiť kvalitu života účastníkov, prostredníctvom vzdelávacích programov rôzneho odborného zamerania a ďalších spoločenských a záujmových aktivít

63 2 Projekt Škola astronómie pre seniorov Jedným z takýchto vzdelávacích programov bol aj projekt Škola astronómie pre seniorov. Uvedeným projektom sme chceli prispieť k rozvoju záujmového vzdelávania dospelých v rámci aktivít UTV. Počas tvorby ideového zámeru projektu sme vychádzali z presvedčenia, že astronómia je lákavá azda pre všetkých ľudí bez rozdielu veku. Väčšina laickej verejnosti si však na ňu nájde čas až v neskoršom veku, keď ubúda pracovných povinností. Preto zámerom autorov projektu bolo ponúknuť možnosť vzdelávania práve v tejto oblasti. Cieľom projektu bolo vzbudiť prípadne využiť už existujúci záujem seniorov o astronómiu a priblížiť im vďaka moderným technológiám nové poznatky z tejto vednej oblasti. Zároveň sme sa pokúsili vytvoriť priestor pre nové sociálne väzby tejto vekovej skupiny v spojení s pre nich netypickými aktivitami. Ďalším z cieľov bolo rozvíjanie počítačovej gramotnosti a prepojenie aktivít s mladšími vekovými skupinami. Projekt vznikol vďaka finančnej podpore Nadácie SPP. Predkladateľom projektu bolo Centrum celoživotného a kompetenčného vzdelávania Prešovskej univerzity v Prešove. Hlavnou autorkou a garantom projektu bola RNDr. Mária Csatáryová, PhD odborná asistentka katedry Fyziky, matematiky a techniky Fakulty humanitných a prírodných vied Prešovskej univerzity v Prešove. Plánovaný program projektu sa začal napĺňať v auguste 2011 a končil v novembri V každom mesiaci bol venovaný projektu týždeň v dĺžke 20 hodín. Vďaka finančnej podpore Nadácie SPP, ktorú získal uvedený projekt, boli zakúpené dva ďalekohľady: slnečný ďalekohľad (Lunt s priemerom 60 mm) so špeciálnymi filtrami, ktorý umožní pozorovať nielen priamy povrch Slnka slnečnú fotosféru, ale odhalí aj časť slnečnej atmosféry v Hα čiare; nočný ďalekohľad typu Celestron (priemer 235 mm), ktorý odkryje čaro nočnej oblohy. Z jeho pomocou sa zaujímavé objekty, voľným okom viditeľné ako hmlisté obláčiky rozvinú do skutočnej podoby hmlovín, hviezdokôp a galaxií. Obsah jednotlivých kurzov bol zostavený tak, aby jeho účastníci mali možnosť pracovať s dostupnými technológiami pri sledovaní hviezdnej oblohy, v práci s astronomickými databázami, absolvovať reálne pozorovania v prírode a vypočuť si komplex zaujímavých odborných prednášok z astronomickou problematikou. Vniknúť do problematiky astronómie s rozvíjaním počítačovej gramotnosti umožňujú počítačové programy so zameraním na astronómiu. Pre účastníkov kurzu boli vybrané počítačové programy, ktoré sú produktom Európskeho projektu virtuálnych observatórií EURO VO. Lektori projektu oboznámili účastníkov projektu s počítačovými programami Stellarium a Aladin, ktoré sú jednoduché v požívateľskom prostredí. Stellarium je 3D počítačové planetárium, ktoré zobrazí nočnú oblohu tak, ako ju môžeme vidieť v reálnych podmienkach, navyše umožní vyhľadávať objekty nočnej oblohy v ľubovoľnom čase a priblíži ich ako v najväčších ďalekohľadoch sveta. A tak posledné týždne v mesiaci od augusta do novembra roku 2011 patrili virtuálnym potulkám seniorov po nočnej oblohe. Spoznávali súhvezdia severnej i južnej nočnej oblohy, sledovali astronomické úkazy, objavovali čaro objektov Messierovho katalógu. Počítačový projekt Aladin umožňuje napojenie účastníka na všetky dostupné astronomické databázy a umožňuje vyhľadávať dané objekty na celom spektre dostupného pozorovania. Obsahuje aj grafický softvér a jednoduché programy na výpočty. Cieľom projektu bolo aj oboznámenie účastníkov s možnosťami pozorovania nočnej oblohy a riešenie jednotlivých astrofyzikálnych úloh s vyhodnotením pozorovacích dát. Na počítačovom programe Stellarium sa naučili určiť polohu radiantu meteorického roja, urobiť svetelnú krivku historickej supernovy konkrétne SN 1054, zostrojiť HR diagram pre 100 najjasnejších hviezd, ako aj vývojovú stopu otvorených hviezdokôp (Jasličky, Plejádyn a Hyády). V počítačovom programe Aladin sme vytvárali obrazové rozdelenie

64 galaxií Hubbleova schéma galaxií a určovali sme vzdialenosť galaxie M97 pomocou metódy Cefeíd. Súčasťou kurzu boli aj reálne pozorovania Slnka slnečným H-α ďalekohľadom, ktorý nám umožnil pozorovania aktívnych dejov v slnečnej atmosfére ako sú erupcie a protuberancie. Popularitu u seniorov mali aj nočné pozorovania. Účastníci sa naučili vyhľadávať objekty nočnej oblohy planéty, hmloviny, hviezdokopy, galaxie. Mali možnosť vyskúšať si identifikáciu mesačných útvarov, pozorovanie obehu Jupiterových mesiacov. Nočné pozorovania sa seniorom páčili najviac, mnohí z nich tieto objekty videli reálne prvýkrát.. Pre záujemcov o astronomické fotografovanie to bola skvelá príležitosť nafotiť si vlastné fotky zaujímavých astronomických úkazov. Stretnutia seniorov boli obohatené aj odbornými prednáškami. Do tajov Slnka ich zasvätil RNDr. Vojtech Rušin, DrSc., z Astronomického ústavu SAV v Tatranskej Lomnici, ktorý prednášal na témy Dynamické Slnko a Cesty Za Slnkom. Mgr. Peter Ivan z Prešovskej hvezdárne zaujal seniorov prednáškou o Slnku. Na aktuálnu tému Tmavá hmota prednášal RNDr. Igor Kudzej, CSc., riaditeľ Vihorlatskej hvezdárne v Humennom. Do problémov svetelného znečistenia a jeho dôsledkoch zasvätil účastníkov projektu riaditeľ Hvezdárne v Rimavskej Sobote RNDr. Pavol Rapavý. Prešovskú univerzitu reprezentovali doc. Michal Salák, CSc. a RNDr. Mária Csatáryová, PhD. témami Zo života hviezdy a Kozmológia. Štruktúra kurzov bola nasledovná: Zoznámenie sa s počítačovým programom Stellarium Jednoduché úlohy počítačového programu Stellarium Počítačový program Aladin Odborné astronomické prednášky Pozorovanie Slnka pomocou slnečného ďalekohľadu Pozorovanie nočnej oblohy pomocou ďalekohľadu 3 Zhodnotenie projektu Zámerom autorov projektu bolo tak ako sme už vyššie uviedli vzbudiť záujem o astronómiu u seniorov a rozvíjanie počítačovej gramotnosti. Do jednotlivých aktivít projektu sme sa pokúsili zapojiť aj mladšie vekové skupiny. Kurz bol otvorený pre všetkých záujemcov nad 45 rokov a vítaní boli aj ich rodinní príslušníci. Na niektorých prednáškach sa zúčastnili aj študenti Fakulty humanitných a prírodných vied, čo ukázalo, že astronómia je zaujímavá pre všetky vekové kategórie. V rámci štyroch týždňových kurzov sa projektu zúčastnilo takmer sto účastníkov z toho 86 seniorov a 28 študentov. Účastníci prvého kurzu mali záujem o ďalšie pokračovanie tohto kurzu, preto boli do ďalších kurzov zaradené aj iné odborné prednášky, aby sa ich mohli zúčastniť aj seniori, ktorí už kurz absolvovali. Ďalším signálom úspešnosti tohto podujatia boli aj seniori, ktorí si doma nainštalovali počítačový program Stellarium a chceli ešte raz absolvovať prácu s ním. Veľký úspech mali aj pozorovania Slnka a nočné pozorovania, niektorí z nich si odniesli aj svoje astrofoto. Bohužiaľ, nie pri všetkých kurzoch sa dali pozorovania realizovať kvôli nepriazni počasia. Záujem o astronómiu u niektorých seniorov presiahol rámec samotného projektu a preto im bola umožnená návšteva Astronomického observatória v Kolonickom sedle. Rozvíjanie počítačovej gramotnosti sa realizovalo prostredníctvom počítačových programov Stellarium a Aladin. U seniorov mal väčší úspech počítačový program Stellarium, ktorý je na ovládanie ľahší. Niektorí účastníci nemali doma počítač a tak to bolo ich prvé stretnutie s prácou na počítači. Pri niektorých senioroch sa podarilo prelomiť bariéru pri práci s počítačom až po prvom sedení, mali totiž pocit, pre našich študentov denného štúdia neobvyklý, že by mali už niečo o počítačoch vedieť. Práca s počítačovým programom je však jednoduchá a nakoniec zvládali nielen prácu s ním, ale aj prenášanie dát a ich spracovanie

65 Záver V našom príspevku prezentujeme jednu z aktivít, ktorou sme sa pokúsili zapojiť do aktivít súvisiacich s propagáciou fyzikálnej vedy v našej spoločnosti v spojení so záujmovým vzdelávaním dospelých. Realizáciou projektu Škola astronómie pre seniorov sme oslovili predovšetkým staršiu generáciu, ktorej sme ponúkli v rámci záujmového vzdelávania dospelých výber rozmanitých tém a aktivít, zameraných na prezentáciu najnovších poznatkov s astronomickou problematikou. Ohlasy s ktorými sme sa stretli po realizácii projektu nás utvrdzujú v presvedčení, že sa nám naše zámery podali naplniť. Poďakovanie Autori príspevku vyslovujú poďakovanie Nadácii SPP za finančnú podporu projektu. Príspevok bol spracovaný s podporou grantovej agentúry KEGA projekt č. 003PU-4/2012 Optimalizácia aplikácii inovačných technológií v graduálnej príprave budúcich učiteľov. Literatúra [1] FREISTETTER, F., IAFRATE, G., RAMELLA, M The Sky is for Everyone - Outreach and Educaction with the Virtual Observatory. arxiv: v1 [citované 10. marec 2012]. Dostupné na: < [2] ŠERÁK, M Volný čas a zájmové vzdělávaní. In: Voľný čas : príležitosť na rozvoj kreativity, inovácií a vzdelávania. Bratislava: NOC, 2009, s ISBN [3] TUMA, M., HUDOBA, M.,2001. Tvorivé procesy človeka. Bratislava: Úrad priemyselného vlastníctva SR, s. ISBN X Adresa autora RNDr. Mária Csatáryová, PhD., Katedra fyziky, matematiky a techniky, Prešovská univerzita Fakulta humanitných a prírodných vied Ul. 17 novembra č Prešov, maja@unipo.sk dr.h.c., doc. PaedDr. Vladimír Šebeň, PhD. Katedra fyziky, matematiky a techniky, Prešovská univerzita Fakulta humanitných a prírodných vied Ul. 17 novembra č Prešov, sebenv@unipo.sk

66 NEZNÁME KOZMICKÉ ŽIARENIE Alexander Dirner 1,2, Marek Bombara (1) Prírodovedecká fakulta, Univerzita Pavla Jozefa Šafárika, Košice (2) Ústav experimentálnej fyziky, Slovenská akadémia vied, Košice Júlia Hlaváčová Fakulta elektrotechniky a informatiky, Technická univerzita, Košice Ivan Kimák Regionálne centrum mládeže, Košice Karel Kudela Ústav experimentálnej fyziky, Slovenská akadémia vied, Košice Abstrakt: Kozmické žiarenie predstavuje prirodzený zdroj vysokoenergetických častíc, a viaže sa k žiareniu, ktorý má svoj pôvod v kozme. Zdrojom kozmického žiarenia je nielen Slnko, a hviezdy našej Galaxie. Vysokonergetické častice sú pravdepodobne mimogalaktického pôvodu. Objav a počiatky výskumu spadajú do začiatku minulého storočia. Práve pred 100 rokmi uskutočnil fyzik rakúskeho pôvodu Viktor Franz Hess výtup balónom Bőhmen, pri ktorom potvrdil že žiarenie je mimozemského pôvodu. Jeho objav mal podstatný význam pre ďalší rozvoj fyziky elementárnych častíc - výskum kozmického žiarenia priniesol so sebou objav nových častíc, ktoré sa v prírode vyskytujú ako zložky tohto žiarenia. Pôvod a šírenie vysokoenergetických častíc kozmického žiarenia patrí k fundamentálnym problémom súčasnej časticovej astrofyziky. Táto problematika svojou atraktívnosťou priťahuje záujem nielen fyzikov, ale aj širokej verejnosti, a má potenciál v oblasti popularizačnej a pedagogickej. Experiment SKALTA (SlovaKiAn Large-area Time-coincidence Array) je súčasťou medzinárodného projektu na detekciu vysokoenergetických častíc s energiou viac jako ev. Príspevok je venovaný nielen prehľadu základných charakteristík kozmického žiarenia, ale aj fyzikálnym, a najmä pedagogickým cieľom tohto experimentu, a to aj v súvisloti s oslavou 100. výročia objavenia kozmického žiarenia Viktorom F. Hessom. Pozornosť venujeme tiež prvým výsledkom stanice SKALTA metodicky spracovaných pre študentov stredných škôl a niektorým fyzikálnym problémom, ktoré študenti riešili. Kľúčové slová: kozmické žiarenie, kozmické počasie, vplyvy kozmického žiarenia, popularizácia fyziky, detektor kozmického žiarenia SKALTA Úvod V roku 1912 Victor Hess z Univerzity vo Viedni s dvomi asistentmi pri lete balónom vo výške 5300 m objavil dôkaz o veľmi silnej radiácii, ktorá prichádza z vonkajšieho priestoru za našou atmosférou. Ukázal, že od výšky 2,5 km nad zemským povrchom ionizácia vzduchu s výškou narastá, teda zdroj ionizácie sa musí nachádzať v priestore nad zemskou atmosférou. Radiácia bola nazvaná kozmické žiarenie (KŽ) a V. Hess získal za tento objav Nobelovu cenu. Trochu histórie Dráhy častíc z kozmického priestoru boli prvýkrát pozorované pomocou hmlovej komory v roku Predpokladalo sa, že ide o vysokofrekvenčné gama žiarenie pochádzajúce z kozmického priestoru. Neskoršie pokusy ale ukázali, že ide najmä o kladne elektricky nabité častice s obrovskými energiami. Objavy pozitrónu a miónu v kozmickom žiarení v tridsiatych rokoch minulého storočia viedli k vzniku novej fyzikálnej vednej disciplíny - fyziky elementárnych častíc. Až do roku 1950, kedy boli postavené prvé urýchľovače, časticoví fyzici študovali výlučne kozmické žiarenie. V oblasti extrémne vysokých energií, je tomu dodnes tak a kozmické žiarenie študujú aj

67 časticoví fyzici, aby našli odpovede na otázky o štruktúre hmoty vo vesmíre a o explozívnych vesmírnych procesoch. Koncom tridsiatych rokov minulého storočia boli objavené rozsiahle atmosférické spŕšky, ktoré vznikajú pri zrážkach častíc kozmického žiarenia s atómami a molekulami atmosféry (vzduchu). Na základe meraní dvoch detektorov vzdialených od seba niekoľko desiatok metrov, ktoré zaznamenávali signály od prichádzajúcich častíc v tom istom čase, dospel P. Auger k záveru, že atmosférické spŕšky sú vyvolané primárnymi časticami s energiou až ev, teda až krát vyššou ako bolo dovtedy pozorované. Základy vysvetlenia urýchľovania kozmického žiarenia na extrémne vysoké energie položil E. Fermi v polovici minulého storočia. Môže ísť podľa neho o urýchľovanie rázovou vlnou, či magnetickými oblakmi, ktoré sa vzájomne približujú a častice pri mnohonásobných odrazoch od nich postupne získavajú energiu. Ako urýchľovače pôsobia aj explodujúce hviezdy (supernovy), ale na opis množstva a energie častíc kozmického žiarenia to nepostačuje. V 90. rokoch minulého storočia boli pozorované ešte energetickejšie častice kozmického žiarenia častice s energiami ev. Exaktné odpovede na otázky odkiaľ prichádzajú tieto častice a ako získajú takú vysokú energiu doteraz nepoznáme. Výskum kozmického žiarenia môže odpovedať aj na ďalšie otázky o vzniku a vývoji Vesmíru. Obrázok 1. Tok častíc kozmického žiarenia v závislosti od ich energie a možnosti jeho merania. Tok pri najnižších energiách (žltá oblasť) vytvára najmä slnečné kozmické žiarenie, pri stredných energiách (modrá) galaktické kozmické žiarenie a pri najvyšších energiách (fialová) mimogalaktické kozmické žiarenie. (Simpson 1997, upravené)

68 V súčasnosti teda vieme, že kozmické žiarenie sa skladá z primárneho žiarenia a spŕšky sekundárnych častíc. Primárne žiarenie tvoria vysoko energetické častice prilietavajúce na Zem z kozmického priestoru. Asi 86% primárnych častíc sú protóny, 11% alfa častice (jadrá hélia), 1% ťažšie častice a 2% elektróny [1], elektricky neutrálnu zložku primárneho kozmického žiarenia tvoria fotóny, neutrína a antineutrína. Spŕšky sekundárnych častíc vznikajú v zemskej atmosfére v dôsledku interakcie primárnych častíc s atmosférou. Zdrojmi kozmického žiarenia môže byť medzihviezdny ionizovaný plyn, supernovy, aktívne galaktické jadrá. Podrobnejší prehľad o energetických časticiach v kozme vrátane kozmického žiarenia získate v uvedenej publikácii [2,3]. Kozmické žiarenie a heliosféra Plazma je najrozšírenejšou formou viditeľnej hmoty vo vesmíre, tvorí ju až 99 % pozorovanej hmoty vesmíru. Nielen Slnko a hviezdy, ale aj drvivá väčšina hmlovín v galaxiách je tvorená rozsiahlymi oblakmi plazmy. Teplota plazmy je od niekoľkých Kelvinov až po milióny Kelvinov. Za plazmu sa považuje ionizovaný plyn zložený z iónov a elektrónov, ktorý vzniká odtrhnutím elektrónov z elektrónového obalu atómov plynu, či roztrhnutím molekúl (ionizácia). Za plazmu nepovažujeme akýkoľvek ionizovaný plyn, ale definujeme ju ako kvazineutrálny plyn nabitých a neutrálnych častíc, ktorý vykazuje kolektívne chovanie. Kvazineutralitou rozumieme to, že plazma sa javí byť makroskopicky neutrálnou, i keď obsahuje veľký počet nabitých častíc. Plazma je vodivá a silno reaguje na elektrické a magnetické pole. Najzaujímavejšou charakteristikou plazmy je, že sa v nej vyskytujú voľné elektróny, voľné nosiče nábojov a tým plazma môže reagovať na elektrické a magnetické polia. Plazma sa od ostatných skupenstiev výrazne odlišuje, čo sa prejavuje aj v jej vlastnostiach. Jadro Slnka tvorí hustá plazma s teplotou takmer 15 milińov Kelvinov. Jej vonkajšia atmosféra - koróna, je zriedená plazma s teplotou vyše 1 až 2 milióny Kelvinov. V medziplanetárnom priestore našej Slnečnej sústavy je všadeprítomná horúca plazma slnečného vetra. Slnečný vietor predstavuje prúdenie nabitých častíc (plazmy), ktoré sú emitované zo slnečnej atmosféry. Energia voľných iónov a elektrónov tisícnásobne prevyšuje energiu fotónov viditeľného svetla (> 1 kev), ktoré unikajú z gravitácie Slnka. Slnečný vietor vynáša slnečné magnetické pole cez heliosféru a vytvára medziplanetárne magnetické pole, pohybujúce sa rýchlosťou niekoľko sto km/s. Magnetické siločiary sú určované tokom slnečného vetra. Slnečný vietor nie je homogénny a mení sa aj v čase. Intenzita kozmického žiarenia je ovplyvnená magnetickým poľom v heliosfére. Je maximálna v období minima slnečnej aktivity a minimálna v období slnečného maxima. Nízkoenergetická zložka kozmického žiarenia je ovplyvnená aj slnečnými erupciami a urýchlením v medziplanetárnom prostredí. Meranie kozmického žiarenia na Lomnickom štíte Kozmické žiarenie nedopadá priamo na Zem, ale zráža sa s atómami vrchnej vrstvy atmosféry. Tak sa vytvára veľa sekundárnych častíc ako protóny, neutróny, mióny, elektróny. Magnetické pole Zeme pôsobí ako filter, ktorý sa pri magnetických póloch Zeme neprejavuje, ale smerom k rovníku pôsobí čoraz silnejšie. Preto najvýznamnejšiu časť častíc kozmického žiarenia možno detekovať pozemnými detektormi častíc v blízkosti magnetických pólov Zeme. Čím bližšie k rovníku, tým väčšiu rýchlosť musí mať nabitá častica, aby prekonala magnetické pole a mohla byť pozemným detektorom detekovaná. Detektory častíc na rôznych miestach na Zemi teda merajú kozmické žiarenie s rôznou minimálnou rýchlosťou odhaľujú tak energetické spektrum kozmického žiarenia. Zavedeným prístrojovým vybavením na meranie kozmického žiarenia zo Slnka a nízkoenergetickej zložky kozmického žiarenia z vesmíru sú neutrónové monitory. Používajú sa od roku Za účelom zvýšenia počtu častíc kozmického žiarenia, ktoré môžu byť detekované, sú detektory

69 v neutrónových monitoroch obklopené olovom, kde častice z jeho atómov vyrážajú neutróny. Neutrónový monitor počíta tieto neutróny a keďže intenzita kozmického žiarenia je priamo úmerná tomuto počtu, opisuje tok kozmického žiarenia v hornej časti atmosféry. Meranie intenzity kozmického žiarenia na Lomnickom štíte bolo spustené v januári 1958 v rámci Medzinárodného geofyzikálneho roka. Monitorovací systém bol niekoľkokrát vylepšený. Od decembra 1981 až do súčasnosti 8-detektorový neutrónový monitor NM64 kontinuálne pracuje v meracom domčeku na streche budovy na Lomnickom štíte. Na meranie sa používa 8 proporcionálnych detektorov typu SNM-15. Priemerná početnosť NM je teraz asi 1, častíc za hodinu. Zvýšenie štatistickej presnosti od decembra 1981 umožňuje zaznamenávať krátkodobé variácie. Neutrónový monitor na Lomnickom štíte Grafický záznam z neutrónového monitora na Lomnickom štíte, 28. októbra 2003 V súčasnej dobe sú k dispozícii 1-minútové dáta v reálnom čase, ako aj ďalšie dáta, vrátane archívu hodinových dát na adrese: Kontinuálne meranie kozmického žiarenia na Lomnickom štíte spadá pod Ústav experimentálnej fyziky Slovenskej akadémie vied v Košiciach, Oddelenia kozmickej fyziky: Monitor je významnou súčasťou celosvetovej sústavy neutrónových monitorov. V roku 1982 boli na Lomnickom Štíte prvýkrát na svete (spolu so stanicami Jungfrayoch a Rím) zaregistrované slnečné neutróny, čo potvrdilo teoretické predpoklady možnej registrácie slnečných neutrónov na povrchu Zeme. Neutrónový monitor na Lomnickom štíte je tiež začlenený do projektu Neutron Monitor Database (NMDB): NMDB je projekt, zahrňujúci tímy z 11 rôznych krajín, financovaný v období rokov v rámci 7. rámcového programu EÚ. Všetky neutrónové

70 monitory, prevádzkované v Európe a niektorých ďalších krajinách, distribuujú svoje experimentálne údaje tak, aby boli prístupné v reálnom čase a dali sa jednoducho využiť vedcami i ďalšími užívateľmi. Kozmické počasie Rozvoj nových technologických systémov spolu s otázkami ich spoľahlivosti viedli k zavedeniu pojmu kozmické počasie a k systémovému multidisciplinárnemu prístupu k týmto otázkam v medzinárodnom merítku [4,5,6]. Podľa definície používanej v USA kozmické počasie zahŕňa podmienky na Slnku a v slnečnom vetri, magnetosfére, ionosfére a termosfére, ktoré môžu ovplyvniť funkčnosť a spoľahlivosť kozmických ako aj pozemných technologických systémov a môžu ohroziť zdravie a život ľudí. V rámci európskeho projektu COST 724, ktorého sa zúčastnil aj ÚEF SAV Košice, bola prijatá nasledujúca definícia: Kozmické počasie je fyzikálny a fenomenologický stav prirodzeného kozmického prostredia. Príslušná vedná disciplína má za cieľ prostredníctvom pozorovaní, monitorovania, analýzy a modelovania pochopiť a predvídať stav Slnka, medziplanetárneho priestoru a prostredia v okolí planét, ako aj poruchy zapríčinené, či nezapríčinené Slnkom, ktoré tieto prostredia ovplyvňujú. Zaoberá sa tiež predpovedaním a skúmaním možných dopadov na biologické a technologické systémy. Zaujímavé je porovnanie hlásení o poruchách technologických systémov počas dvoch veľkých magnetických búrok s podobnou intenzitou, a to na začiatku (1903) a koncom minulého storočia (1989). V prvom prípade boli hlásené poruchy na telegrafickom systéme, komunikácia bola počas niekoľkých hodín takmer celkom prerušená a prestížny vedecký časopis Nature hovorí o indukci 675 V v drôtoch bez pripojenej batérie. Podstatne rozsiahlejšie sú ale informácie o následkoch porovnateľnej búrky v r Možno ich rozdeliť do piatich skupín: a) poškodenia družíc (zmena dráhy nízkoorbitálnej družice SMM, poruchy na elektronike na 4 družiciach), b) poruchy komunikácie (výpadky vf rádiového spojenia južných oblastí USA s rôznymi miestami na svete, rušenie správ diaľničnej kontroly v Kalifornii lokálnymi prenosmi v Minnesote, značné nárazy napätia zaznamenané podvodnými káblami v Atlantickom a Tichom oceáne), c) poruchy navigácie (viaceré poruchy navigačného systému LORAN - LOng RAnge Navigation pozemný navigačný systém nízkofrekvenčných rádiových prenosových zariadení, ohlásené pobrežnou ochranou USA, narušenie navigácie lodí v blízkosti Austrálie využívajúcej signály navigačných družíc), d) elektrické rozvodné siete (výpadok elektrickej energie v Quebecu pričom 6 miliónov ľudí zostalo počas 9 hodín bez elektriny, výpadok rozvodného 130 kv systému vo Švédsku, poruchy viacerých rozvodných systémov bez úplného výpadku), e) iné efekty (v severovýchodnej časti USA boli niektoré mikročipové zariadenia v tej dobe nefunkčné). Vplyv kozmického počasia na komunikáciu a navigáciu Ešte pred kozmickou érou boli efekty dnes označované za kozmické počasie pozorované v technologických systémoch dôležitých pre komunikáciu. Pravdepodobne prvá zmienka o poruchách na telegrafných systémoch (galvanometer zaznamenávajúci odchylky s meniacim sa znamienkom na kábli z Derby do Birminhamu) pochádza z r Efekty vonkajšieho fyzikálneho stavu na bezdrôtové transkontinentálne spojenie boli spomenuté už v práci Marconiho z r Ten uvádzal, že prakticky všetky prípady strácajúcich sa rádiových signálov koincidovali s časovými

71 úsekmi, kedy boli pozorované veľké slnečné škvrny, intenzívne polárne žiary a geomagnetické búrky. Okrem satelitných anomálií spôsobených energetickými kozmickými časticami, sú dôležité aj vplyvy zmien ionosféry. Jedným z nich sú tzv. scintilácie. Ide o rýchle fluktuácie intenzity transionosferického signálu (družica-zem). Spôsobujú dodatočnú nízkofrekvenčnú šumovú komponentu k užitočnému signálu. Namiesto homogénnej vrstvy sú v niektorých oblastiach ionosféry miesta so zvýšenou alebo zníženou koncentráciou elektrónov. Tieto neregularity sa vyskytujú v dvoch oblastiach polárnej (tam sú spôsobované časticami uvoľňovanými z oblastí záchytu ich vysypávaním do atmosféry vyskytujú sa v ľubovoľnom miestnom čase s tendenciou zosilnenia v noci a počas zvýšenej magnetickej aktivity) a rovníkovej (význačne závislé od miestneho času dajú sa predvídať, majú periodicity rovnaké ako extrémne UV a X žiarenie zo Slnka). Pre elektromagnetické vlny využívané v globálnych navigačných družicových systémech (GNSS) akými sú GPS, GLONASS alebo európsky Galileo, sú veľmi dôležité zmeny stavu ionosféry. Pri používaní frekvencií v oblasti GHz môže ionosféra spôsobiť oneskorenie signálu odpovedajúce chybám vzdialenosti až 100 m. Vplyv kozmického počasia na pozemné systémy Okrem prúdových systémov v ionosfére počas geomagnetických porúch vznikajú aj prúdové systémy v technologických zariadeniach na zemskom povrchu. Fyzikálne ide o geomagneticky indukované prúdy (GIC), ktoré možno opísať základnými zákonmi elektromagnetizmu. Porucha kozmického počasia spôsobuje vznik intenzívnych a rýchlo sa meniacich prúdových systémov v ionosfére, ktoré podľa Biot-Savartovho zákona spôsobujú časovo premenné magnetické polia pozorované ako geomagnetické subbúrky alebo búrky, čo podľa Faradayovho indukčného zákona je vždy sprevádzané elektrickým poľom. Geomagnetické poruchy a geoelektrické pole na zemskom povrchu nielen primárne závisia od priestorových prúdov, ale sú tiež sekundárne ovplyvnené prúdmi vyvolanými vo vnútri zemského telesa. Hlavne pre elektrické pole je sekundárny príspevok dôležitý. Horizontálna zložka geoelektrického poľa vyvoláva na technologických vodivých sieťach ohmické prúdy. Časové zmeny magnetického poľa sú veľké hlavne na miestach s väčšou zemepisnou šírkou a indukované prúdy sú tam preto značné. Prejavujú sa napr. v rozvodných systémoch v Kanade, severských krajinách Európy a inde. Hlásené sú z období extrémne silných geomagnetických búrok. Najsilnejší hlásený prúd o hodnote 320A bol na švédskom rozvodnom systéme v búrke v apríli Iným druhom porúch pozemných systémov počas geomagnetických búrok sú poškodenia plynovodov a ropovodov. Transport veľkého množstva kvapalín alebo plynov pod zemou alebo pod vodou, či dokonca na zemskom povrchu, vyžaduje pevné konštrukcie odolné voči nárazom. Poškodenie ale môže potom vzniknúť z korózie oceľových rozvodov. Preto sú pokryté izolačným náterom a pripojené k špeciálnym zariadeniam (katodové ochranné rektifikátory). Cez malé dierky na pokryve sa môže oceľ dostať do kontaktu s pôdou, vodou alebo vlhkým vzduchom a korodovať. Týmto elektrochemickým reakciám možno brániť záporným napätím udržiavaným na oceli (katóde) voči okolitej zemine (anóda) pripojením záporného výstupu jednosmerného zdroja k potrubiu a kladného výstupu k anodovému zariadeniu v pôde, takže prúd tečie od anódy k potrubiu. Ochranný systém tak udržuje potenciál potrubia na úrovni od 0.85 do V. Časovo premenné magnetické polia vytvárajú elektrické prúdy na dlhých vodivých potrubiach, čo môže spôsobiť napäťové zmeny na ochranných rektifikátoroch. Počas geomagnetických búrok tieto variácie môžu spôsobiť väčšiu zmenu potenciálu ako je povolená, a tým redukovať dobu života potrubia

72 Biologické aspekty Vysokofrekvenčná časť spektra kozmického žiarenia môže vytvárať nehostinné prostredie pre život. Na Zemi nás však chráni zemská magnetosféra a atmosféra. Naša planéta predstavuje veľký magnet a magnetické pole sa rozprestiera ďaleko do vonkajšieho priestoru označovaného ako magnetosféra. Magnetosféra chráni atmosféru aj nás pred prúdom zmagnetizovaného plynu zo Slnka slnečného vetra jeho brzdením a odchyľovaním z okolia Zeme. Hustá atmosféra Zeme nás chráni tým, že absorbuje ultrafialové slnečné žiarenie a redukuje teplotné extrémy medzi dňom a nocou. Pedagogický prínos a popularizácia Projekt Ústavu experimentálnej a aplikovanej fyziky ČVUT v Prahe CZELTA [ 7], ktorého cieľom je vytvoriť sieť detekčných staníc umiestnených na strechách vybraných stredných a vysokých škôl v Európe, má zásadný pedagogický prínos v tejto oblasti. Detekčné stanice zaznamenávajú spŕšky sekundárneho kozmického žiarenia s minimálnou energiou primárnej častice ev. Prvou detekčnou stanicou tohto druhu na registrovanie kozmického žiarenia na Slovensku je SKAL- TA (SlovaKiAn Large-area Time coincidence Array), ktorá je umiestnená na streche Prírodovedeckej fakulty UPJŠ v Košiciach. Sú to v podstate tri scintilačné detektory, každý o veľkosti (60x60) cm 2, ktoré sú zapojené v koincidencii. Detektory sú uložené v plastovom obale so stabilizovanou teplotou. Sú usporiadané do rovnostranného trojuholníka s dĺžkou strany 10 m. Vzhľadom na konštrukčné riešenie detekčnej stanice je možné určiť nielen minimálnu energiu pôvodnej primárnej častice, ale aj približný smer zdroja na oblohe. Meraním presnej doby vzniku spŕšky prostredníctvom systému GPS (Global Positioning System) sa dajú porovnať údaje aj z iných staníc, ako napríklad CZELTA alebo ALTA [8] a študovať tak korelácie medzi spŕškami na veľkých vzdialenostiach. Obrázok 2. Pracovná stanica umiestnená na streche Ústavu fyzikálnych vied na Jesennej ulici v Košiciach. Obrázok 3. Elektronické čítacie a zobrazovacie zariadenie experimentu. Detekčná stanica SKALTA [9] je plne funkčná od októbra 2010 a poskytuje všetky svoje merania na centrálny server. Umožňuje študovať vysoko energetické častice, ktorých energia prevyšuje energiu, ktorú sme schopní dosiahnuť aj na najvýkonnejších pozemských urýchľovačoch častíc (napr. LHC). Veľkým prínosom detektora SKALTA je možnosť zapojiť študentov univerzity ako aj nadaných študentov stredných škôl do výskumu kozmického žiarenia a umožniť im pracovať s pôvodnými experimentálnymi údajmi [10]. Využijúc naše skúsenosti s projektom Masterclasses z oblasti časticovej fyziky sme pripravili podobný jednodňový projekt aj z oblasti kozmického žiarenia s experimentálnymi údajmi z experimentu SKALTA. Prvýkrát sme ho uskutočnili so 48 účastníkmi letnej školy Neznáme kozmické žia

73 renie pre študentov stredných škôl [11]. Študenti si najprv dopoludnia vypočuli niekoľko atraktívnych a prístupných prednášok o kozmickom žiarení a histórii jeho objavu, o experimente SKALTA a spôsobe analýzy údajov zaregistrovaných detektormi. Popoludní vytvorili 9 niekoľkočlenných skupín, aby potom samostatne počas približne troch hodín riešili jednu z dvoch predložených úloh. Úloha 1: Ovplyvňuje Slnko tok vysoko energetického žiarenia (> ev) detekovaného v experimente SKALTA? (Prípadne pochádza toto žiarenie priamo zo Slnka?) Úloha 2: Závisí tok spŕšok sekundárneho kozmického žiarenia od teploty a hustoty vzduchu? Prvú úlohu študenti v pracovných skupinách analyzovali porovnaním počtov prípadov spŕšok sekundárneho kozmického žiarenia nameraných detektormi SKALTA počas dňa a počas noci. Ako denné merania boli registrované merania od 9:00 do 15:00 (počas celej tejto doby Slnko žiari), ako nočné od 21:00 do 3:00 (Slnko nie je na oblohe). Výsledkom analýzy bola grafická závislosť počtu prípadov (deň a noc) v závislosti od času (s časovou jednotkou 24 hodín). Druhú úlohu analyzovali vzájomným porovnaním troch závislostí: počtu prípadov, teploty vzduchu a hustoty vzduchu od času (s jednotkou času 24 hodín). Merania teploty vzduchu boli poskytnuté Hydrometeorologickým ústavom SAV v Košiciach a hodnoty hustoty vzduchu študenti vypočítali z meraní atmosférického tlaku a teploty. Obrázok 4. Obrázok 5. Obrázok 6. Obrázok 7. Študenti analyzovali experimentálne údaje a každá skupina si pripravila krátku prezentáciu o dosiahnutých výsledkoch a ich fyzikálnej interpretácii. Na konci dňa hovorcovia skupín predniesli svoje prezentácie. Po každej prezentácii prebehla krátka diskusia. Väčšina skupín správne interpretovala získané výsledky. V prvej úlohe nebol zistený vplyv Slnka na kozmické žiarenie detekované v experimente SKALTA, takže jeho zdroj je mimo Slnečnej sústavy (obrázky 4,5) a náplňou diskusie boli najmä neistoty merania. V druhej úlohe študenti nezistili žiadnu koreláciu medzi teplotou

74 a počtom prípadov, kým medzi počtom prípadov a hustotou vzduchu našli nepriamu úmernosť, takže atmosféra pôsobí ako obrovský kalorimeter, kde jeho absorpčná schopnosť pre nabité častice je úzko prepojená s jeho hustotou (obrázky 6,7). Od viacerých študentov sme získali veľmi pozitívne ohlasy na celú akciu. V auguste 2011 bol tento projekt znovu realizovaný pre 40 zahraničných a našich študentov stredných škôl z Belgicka, Fínska, Talianska, Španielska a Slovenska v rámci medzinárodného projektu Let s discover the mysteries v Škole v prírode v Kysaku. Jednodňový projekt MC z kozmického žiarenia bol nasledujúci deň doplnený ďalšími aktivitami. Študenti sa venovali terminológii, kde základné pojmy zavedené v úvodnej prednáške spracovali do vlastných, stručných prezentácií, posterov, dramatizácií. Nasledovali prezentácie národných skupín o výskume kozmického žiarenia v krajine ich pôvodu, ktoré si pripravili ešte pred príchodom na Slovensko. Ohlasy boli aj v tomto prípade veľmi pozitívne. Obrázok 8 Letná škola v prírode Nezmáme kozmické žiarenie Obrázok 9 Let s discover the mysteries medzinárodný projekt Záver Dlhoročný výskum kozmického žiarenia na Slovensku je veľmi úspešný. V súčasnosti sa rozvíja na viacerých inštitútoch a uberá sa viacerými smermi. Oddelenie kozmickej fyziky na Ústave experimentálnej fyziky v Košiciach študuje kozmické žiarenie, slnečný vietor a zemskú magnetosféru a podieľa sa na výrobe nových zariadení pre výskum planetárnych procesov v rámci budúcich vesmírnych misií. Výskum zahŕňa analýzu pozemných aj družicových meraní, simuláciu kozmofyzikálnych procesov v heliosfére a magnetosfére Zeme a prípravu nových kozmických experimentov. Doteraz sa Oddelenie zúčastnilo na vývoji experimentálnych vedeckých aparatúr, ktoré boli umiestnené na 14 družiciach, dvoch kozmických sondách a dvoch suborbitálnych raketách. V súčasnosti v rámci medzinárodnej spolupráce pracuje na teleskope JEM-EUSO, ktorý bude v blízkej budúcnosti nainštalovaný na Medzinárodnej vesmírnej stanici ISS. Teleskop sa zameria na ultrafialové žiarenie vznikajúce pri interakcii kozmických častíc s atmosférou Zeme. Strategickým cieľom projektu Európskeho fondu rozvoja prostredníctvom Operačného programu Výskum a vývoj a to na základe Zmluvy o poskytnutí nenávratného finančného príspevku č. 18/2009/2.1/OPVaV, kód ITMS , názov projektu: "Centrum kozmických výskumov: vplyv kozmického počasia" a projektmi Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky je dobudovanie Centra kozmických výskumov ako základu pre koncentráciu inštitúcií orientujúcich sa na výskum kozmogénnych vplyvov na Zem a technologickú spoločnosť. Úspech oboch akcií nás povzbudil do ďalších aktivít v tejto oblasti. Jedna cesta, ako vzbudiť u študentov záujem o fyziku a prírodné vedy, vedie cez pre nich najviac atraktívne témy, akými sú vesmír, kozmológia, kozmické žiarenie, CERN, urýchľovače, rádioaktivita. Sú to pojmy často spomína

75 né v masovokomunikačných prostriedkoch pri rôznych významných udalostiach. Stredoškoláci, ak vôbec, tak sa s týmito pojmami na vyučovacích hodinách fyziky stretávajú až vo vyšších ročníkoch, kedy sú už jednoznačne rozhodnutí o smere svojho vysokoškolského štúdia. V snahe osloviť čím väčšiu skupinu študentov, ponúkame naše projekty všetkým stredoškolákom [12], aj tým v nižších ročníkoch, aby sme vyvolali záujem o prírodné a technické vedy. Hlavné podujatie (ako napríklad medzinárodné MC) dopĺňame ďalšími komplementárnymi aktivitami. Pomocou metódy komplementárnych aktivít je možné sprístupniť popularizačné a vzdelávacie informácie väčšiemu počtu prijímateľov informácií a zároveň im umožniť vybrať si mieru obtiažnosti podľa vlastného rozhodnutia. Naším najbližším plánom je vytvoriť dištančný kurz, ktorého náplňou budú moduly o vesmíre, jeho vývoji, kozmickom žiarení, kozmickom počasí [13]. Poďakovanie Projekt SKALTA je financovaný z prostriedkov Európskeho fondu regionálneho rozvoja prostredníctvom Operačného programu Výskum a vývoj a to na základe Zmluvy o poskytnutí nenávratného finančného príspevku č. 018/2009/2.1/OPVaV, kód ITMS , názov projektu: "Centrum kozmických výskumov: vplyv kozmického počasia", prostredníctvom Agentúry Ministerstva školstva SR pre štrukturálne fondy EÚ a vlastných zdrojov verejného obstarávateľa. Zvlášť by sme sa chceli poďakovať Grantovej agentúre APVV: projekt LPP "Odhalenie tajov mikrosveta prostredníctvom analýzy experimentálnych údajov" a projektu mládežníckej výmeny Let s discover the mysteries", ktorý je podporovaný z prostriedkov grantového programu Mládež v akcii ( ). Literatúra 1. Perkins, D.H., 2009: Particle Astrophysics, Oxford University Press, ISBN: , p Kudela, K., On Energetic Paricles in Space, Acta Physica Slovaca 59, 2009, No 5, Kudela K., 2012: Variability of Low Energy Cosmic Rays Near Earth, EXPLORING THE SOLAR WIND, Edited by Marian Lazar, ISBN , Croatia. 4. Kudela, K., Slivka, M., 2003: Energetické častice v kozme a kozmické počasie. Slovenský príspevok k štúdiu efektov október november 2003, 5. Prigancová, A., Bieleková, M., K problematike kozmického počasia, 6. Kudela, K., Variabilita kozmického žiarenia a kozmické počasie, 7. K. Smolek, ALTA/CZELTA - a sparse very large air shower array: overview of the ex periment and first results, Proceedings of the 31st ICRC, 2009, Lodž, Poland. CZELTA (CZEch Large-area Time coincidence Array): < 8. W. Brouwer et al, The ALTA cosmic ray experiment electronics system, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 539 (2005) ALTA (Alberta Large-area Time coincidence Array): < 9. Bombara M., Dirner A., Kudela K. a kol.: Cosmic ray study in the SKALTA Experiment. Zborník príspevkov z 18. konferencie slovenských fyzikov, Univerzita M. Bela B. Byst rica, , vyd. Košice: Slovenská fyzikálna spoločnosť, 2011, s , ISBN Bombara M., Dirner A., Kudela K. a kol.: Cosmic ray study in the SKALTA experi

76 ment(2), 17. konferencia slovenských a českých fyzikov, Fakulta elektrotechniky, Žilin ská univerzita, Žilina, 5.-8.september Zborník konferenčných príspevkov, Equilibria 2012, Košice, ISBN , EAN , str Dirner A., Hlaváčová, J., Lehocká, S. a kol., Odkrývanie tajomstiev mikrokozmu, IV. odborná konferencia Quo Vadis vzdelávanie k vede a technike na stredných školách, Kongresové centrum Technopol, Bratislava , zborník konferečných príspevkov, o.z. Mladí vedci Slovenska a CVTI SR, 2010, ISBN , str Space Weather and Europe - an Educational Tool with the Sun (SWEETS), Kudela, K., Moduly dištančného vzdelávania - Okná do modernej fyziky, Kozmické žiarenie, Kozmické počasie. Adresa autorov RNDr. Alexander Dirner, CSc. Ústav fyzikálnych vied, Prírodovedecká fakulta UPJŠ Košice Jesenná 5, Košice doc. RNDr. Júlia Hlaváčová, CSc. Katedra fyziky, Fakulta elektrotechniky a informatiky TU Košice Park Komenského 2, Košice Julia.Hlavacova@tuke.sk

77 ANTIHMOTA, HYPERHMOTA A TMAVÁ HMOTA Peter Filip Fyzikálny ústav SAV, Bratislava Abstrakt: Pomocou najnovších výsledkov súčasnej vedy - aktuálnych objavov anti-hélia 4 a hyperjadier, vysvetľujeme význam pojmov antihmota a hyper-hmota. Spomíname aj tmavú hmotu, ktorej existencia vo vesmíre vyplýva z pozorovanej rotácie galaxií. Ukazujeme, ako niektoré exotické formy hyper-hmoty môžu s tmavou hmotou súvisieť. Kľúčové slová: hyperhmota, antihmota, tmavá hmota, dibaryón Úvod Najnovšie objavy vo fyzike umožňujú priblížiť študentom SŠ (v rámci výuky o žiarení a časticiach) základné stavebné časti hmoty pomocou obrázkov a jednoduchých príkladov. Popis výroby antihmoty a anti-vodíka v CERN, ako aj využitie antihmoty v reálnom živote nám pomáhajú zasadiť tématiku do reálneho sveta poslucháčov. Popisujeme vnútornú štruktúru hyper-častíc (hyperónov), vysvetľujeme čo to je hyper-hmota a ako porozumieť anti-hyper-hmote. Používame pritom pojem d, u, s kvarkov, základných častíc hmoty. Tmavá hmota je vysvetlená stručne, je poukázané na možnú súvislosť s hyper-hmotou. Výroba antihmoty V súčasnosti poznáme viacero spôsobov výroby antihmoty, napríklad: 1) nepriamo, pomocou cyklotrónov, 2) priamo, na veľkých urýchľovačoch, 3) pomocou ultra-silných laserových impulzov, 4) pozbieraním existujúcej antihmoty vysoko v atmosfére. Najjednoduchšie sa antihmota vyrába na cyklotrónoch, teda na zariadeniach veľkosti cca 2x3 metre, takto: Pomocou silného magnetu a striedavých elektrických polí dokáže cyklotrón urýchliť protóny (vodík zbavený elektrónov) na energiu odpovedajúcu napätiu 10 miliónov Voltov (takú energiu označujeme E = 10 MeV). Protóny urýchlené na energiu 10 MeV sa nasmerujú do horčíkového (Mg) terčíka, kde prenikajú cez elektrónový obal do vnútra atómov Mg až k jadru, a v reakcii (p + Mg 24 Na 22 + He 3 ) vzniká aktívny sodík Na 22. Prúd protónov je napríklad 0.1 ma, cyklotrón je zapnutý 1 deň, alebo 2 hodiny. Obr.1: Výroba antihmoty (pozitrónov e + ) pomocou cyklotrónu. Cyklotrón sa vypne a nestabilný (aktívny) sodík Na 22 sa potom v terčíku pomaly rozpadá (za 2.5 roka zanikne zhruba polovica vyrobeného sodíka Na 22 ) na neškodný plyn Neón. Pritom sa vytvárajú (generujú) pozitróny e + (napríklad milión e + každú sekundu), vzniká teda antihmota. Pri rozpade Na 22 Ne 22 + e + vznikajú aj neviditeľné neutrína ne. Antihmota sa tak vyrába nepriamo,

78 prostredníctvom výroby nestabilných jadier (Na 22, F 18 ), ktoré potom emitujú antihmotu - pozitróny e +. Cyklotróny sú k dispozícii aj na Slovensku a vytvoriť pozitrónovú antihmotu si takto dokážeme aj doma. 2) K priamej výrobe antihmoty sú už potrebné veľké urýchľovače synchrotróny, ktoré môžu mať rozmery metrov a generujú zväzok protónov s 1000x vačšou energiou než cyklotróny. V terčíku (viď Obr.1) potom vznikajú okrem pozitrónov aj oveľa ťažšie anti-častice: anti-protóny a anti-neutróny. Rozdiel oproti nepriamej výrobe (na cyklotróne) je v tom, že po vypnutí zväzku protónov s energiou 10 GeV sa produkcia ťažkej (hadrónovej) antihmoty ihneď zastaví a všetky vytvorené anti-protóny a anti-neutróny v priebehu milisekúnd anihilujú (zaniknú) v okolitom materiáli. Anti-neutróny by sa v čistom vákuu rozpadli za cca. 10 minút na stabilné anti-protóny (viď Obr.4). Obr.2: Vznik anti-hélia 4 v zrážke Au+Au, v detektore STAR na urýchľovači RHIC, štruktúra anti-he 4, fotografia Rutherforda a záber z riadiacej miestnosti detektora. Ak namiesto protónov urýchľujeme jadrá ťažkých prvkov (napr. Au, Pb), vzniká v terčíku (v zrážkach jadier) veľa anti-častíc naraz (Obr.2 vľavo). Niekedy sa môže stať, že anti-protóny a anti-neutróny vzniknú veľmi blízko pri sebe (naraz) s takmer rovnakými rýchlosťami (aj smerom) a zlepia sa dokopy: vznikne tak anti-jadro. Doteraz najťažšie známe antijadro: anti-hélium 4 bolo vytvorené v roku 2011, na urýchľovači LHC (4 kusy) v CERN (Ženeva) a na urýchľovači RHIC (18 kusov) v laboratóriu BNL, Long Island, NY. Historický prehľad objavov (vytvorenia) anti-jadier na urýchľovačoch je v Tabuľke 1. Tab 1: Historický prehľad objavov anti-jadier, anti-protónu a anti-neutrónu. označenie zloženie názov rok miesto, krajina objavu anti-p [ p'] anti-kvarky anti-protón 1955 Berkeley (US) (d'u'u') anti-n [ n'] anti-kvarky anti-neutrón 1956 Berkeley (US) (d'd'u') anti-d [ p', n' ] anti-deuterón 1965 CERN a BNL(US) 3 anti-he [ p', n', p' ] anti-hélium Serpuchov, ZSSR anti-t [ p', n', n' ] anti-tritón 1975 Serpuchov, ZSSR 4 anti-he [ p', p', n', n' ] anti-hélium BNL(US) a CERN

79 Anti-Hélium 4 (t.j. anti-a časticu) sa podarilo vyrobiť [1] presne 100 rokov po tom, ako E.Rutherford (otec jadrovej fyziky) na základe svojich pokusov s a-časticami v roku 1911 vyslovil hypotézu, že kladný náboj je sústredený vo veľmi malej časti atómu - v jadre. Neskôr, v roku 1917, Rutherford so svojimi spolupracovníkmi uskutočnil aj transmutáciu, t.j. premenu prvkov v reakcii a + N 14 O 17 + p (premena dusíka na kyslík a vodík). 3) Veľké množstvá pozitrónov e + (až 10 10, t.j. 10 miliárd naraz) je možné vyrobiť aj pomocou ultrasilných laserových impulzov [3], kedy v 1mm terčíku zo zlata vznikajú elektrón-pozitrónové (e + e - ) páry procesom gama-konverzie fotónov v blízkosti jadier Au. 4) Anti-protóny možno nájsť už aj hotové vo vrchných vrstvách atmosféry Zeme (cca 100 km nad zemským povrchom), kde vznikajú zrážkami kozmického žiarenia (protónov) so vzduchom [4]. O zachytávaní antihmoty na obežnej dráhe sa zatiaľ reálne neuvažuje, lebo anti-protóny nevieme dobre skladovať. Výroba anti-vodíka v CERN Keď už vieme vyrábať pozitróny e + (objavené v roku 1932) a aj anti-protóny p', vzniká možnosť vyrobiť anti-vodík, teda anti-atóm. O tom, že výroba anti-atómov je veľmi náročná svedčí fakt, že viazaný stav pozitrónov s anti-protónmi (anti-vodík) dokázali vedci vytvoriť až v roku 1995 (CERN), t.j. 40 rokov po objave anti-protónu v Berkeley (pozri Tab.1). Výroba anti-vodíka si vyžaduje spomalenie vyrobených anti-protónov a súčasné vyrobenie a zhromaždenie pozitrónov e + v bezprostrednej blízkosti anti-protónov. Za vhodných podmienok, ktoré vedia vytvoriť vedci vo výskumnom stredisku CERN pri Ženeve, sa kladne nabité pozitróny e + naviažu na záporne nabité anti-protóny p' a vzniká anti-vodík. Od roku 2011 už dokážu vedci v CERN udržať anti-vodík v magnetickej pasci aj 15 minút. Magnetickú pascu (Obr.3) naplnia 3 miliónmi pozitrónov a 300 tisícmi anti-protónov, pričom vznikne približne 7000 kusov anti-vodíka. Pomocou mikrovlnných generátorov (RF na Obr.3) sa potom vyvolajú prechody e + medzi energetickými hladinami antivodíka. Pre výskum odlišností vo vlastnostiach anti-vodíka v porovnaní s vodíkom postačí antivodík udržať len na pár sekúnd [5] a presne zmerať energetické hladiny viazaného pozitrónu. Podľa našich súčasných poznatkov by mal mať anti-vodík rovnaké vlastnosti (energetické hladiny) ako vodík, ale človek nikdy nevie, či nám príroda nenachystala veľké prekvapenie... Priamy kontakt anti-vodíka so stenami magnetickej pasce alebo zvyškami hmoty (plynom) vo vákuovej komore vedie k jeho zániku-anihilácii. Obr.3: Vznik anti-vodíka a meranie veľmi jemnej štruktúry jeho spektra v CERN. Ak by sme dokázali vytvoriť a zhromaždiť veľké množstvá anti-vodíka naraz, po ochladení na C by (asi) vznikol tekutý anti-vodík, a pri -259 C by zamrzol. Pomocou fúzie by sa potom snáď dali vyrábať aj ťažšie anti-jadrá, podobne ako k tomu dochádza pri experimentoch s inerciálnou fúziou (vysvetlené nižšie). V princípe očakávame, že kúsok anti-hliníka (antihmoty) bude vo vákuu stabilný (presne ako hliník)

80 Okolitý vesmír (napríklad meteority) však také kúsky antihmoty zjavne neobsahuje, ani v kozmickom žiarení nepozorujeme anti-jadrá prvkov (napr. anti-he 4 ), čo je dosiaľ nevysvetlenou záhadou. Na otázku Čo to je antihmota dnes odpovedáme: je to forma energie veľmi podobná hmote. Základné častice anti-hmoty majú opačný elektrický náboj v porovnaní s časticami hmoty. Pri stretnutí anti-hmoty s hmotou obidve zanikajú (anihilujú) na fotóny. Priamy a rýchly kontakt väčších množstiev antihmoty (napr. 10g) s hmotou by mal zrejme katastrofálne následky. Uvoľnená energia by bola: 2x E=mc 2 (obrovská). Výroba hyperónov, hyper-hmoty (hyper-jadier) a anti-hyper-hmoty Podobne ako pozitróny, antiprotóny a anti-neutróny možno na veľkých urýchľovačoch vyrobiť aj podivné častice nazývané hyperóny (L,S,X,W). Ak ďalej zvyšujeme energiu protónového zväzku (viď Obr.1) vznikajú v terči aj anti-hyperóny, t.j. častice antihmoty s opačným elektrickým nábojom ako hyperóny. Hyperóny sú podobné protónu a neutrónu (obsahujú tiež tri kvarky), len sú ťažšie a rozpadajú sa (v priebehu sekundy). Napríklad hyperón L sa môže premeniť (rozpadnúť) na protón (viď Obr.4). Všetky základné hyperóny obsahujú podivný kvark typu s, ktorý sa rozpadá na kvark u a niekedy aj na kvark d, čo spôsobuje vnútornú premenu hyperónov na protón (obsahuje kvarky d,u,u) alebo neutrón (obsahuje kvarky d,d,u). Ťažké hyperóny X, W sa rozpadajú na svojich ľahších bratov: L, S (a tie sa nakoniec rozpadnú na protón alebo neutrón). Rozpady hyperónov prebiehajú kvôli rozpadu nestabilného s kvarku vnútri hyperónov. Tab 2: Označenie a základné vlastnosti hyperónov a anti-hyperónov. štruktúra hmotnosť náboj Označenie Názov [kvarková] [GeV/c 2 (elektrick ] ý) o L Lambda dsu S -, S o +, S Sigma dds,dus,uus ,0,+1 X o -, X Xi uss, dss ,-1 - W Omega sss o anti-l anti-lamda d's'u' anti-(s +,S o,s - ) anti-sigma d'd's',d'u's',u'u's' ,0,-1 anti-(x o, X + ) anti-xi d's's', d's's' ,+1 + anti-w anti-omega s's's' Samozrejme, že pri objavoch nových podivných častíc tieto nemali na sebe napísané, že obsahujú s kvark. Vedci museli na existenciu kvarkov a teda aj s kvarku prísť pomocou náročných výpočtov a teórií. Medzi prvých vedcov, ktorí usúdili, že vnútri protónu, neutrónu a hyperónov sú 3 objekty (kvarky) patril M.Gell-Mann. Geniálna myšlienka ho vraj napadla pri vystupovaní z autobusu. Kvark s nie je v okolitej stabilnej hmote obsiahnutý a je ho treba vyrobiť na urýchľovači, podobne ako antihmotu. Vzniká prirodzene otázka, čo sú to tie kvarky? Vieme určite, že ich elektrické náboje sú 1/3 a 2/3 násobky náboja elektrónu, ale presnú odpoveď (napr. typu [6]) ešte stále hľadáme

81 V rokoch boli pomocou synchrotrónov (veľkých urýchľovačov) postupne vyrobené všetky základné hyperóny: L(sdu), S - (dds), S + (uus), S o (uds), X o (uss), X - (dss), W - (sss). Napríklad hmotnosť W - hyperónu je o 70% väčšia ako hmotnosť protónu a rozpadá sa najskôr na X (uss), potom na L(uds), a potom na protón (udu). V roku 1971 sa podarilo vyrobiť aj anti-w + hyperón, teda kladne nabitú anti-časticu obsahujúcu tri anti-s kvarky (viď Tab.2 a Obr.5), ktorá má rovnakú hmotnosť a dobu života ako hyperón W - ale opačný elektrický náboj. Obr.4: Rozpad hyperónu L o P + e - +n e ' (a rozpad anti-n anti-p + e + + n e ). Hyperóny majú (podobne ako protón, elektrón aj neutrón) magnetický moment. Vedci už dokázali zmerať aj magnetické momenty hyperónov! Rovnako ako elektrický náboj, aj magnetický moment hyperónov pochádza z (magnetických momentov) kvarkov. Elektrické náboje kvarkov sú: -1/3 (kvarky d,s,b) a +2/3 pre kvarky (u,c,t). Kvarky typu (b,c,t) boli objavené oveľa neskôr než hyperóny (teda ako s-kvark). Stabilná hmota sa skladá iba z kvarkov u,d a elektrónov e -. Častice obsahujúce kvarky s nazývame hyperóny, a jadrá obsahujúce hyperóny nazývame hyper-jadrá. Hyper-hmota teda obsahuje kvark s, ktorému dali fyzici prívlastok podivný, teda strange = s. Všetky doteraz známe hyper-jadrá sa rýchlo rozpadajú, lebo hyperóny v nich obsiahnuté sa rozpadajú na protóny alebo neutróny. Ľudstvu známa hyper-hmota je zatiaľ nestabilná. Môžu existovať anti-hyper-jadrá? Kladnú odpoveď Ano poznáme od roku 2010, kedy bol vytvorený anti-hyper-tritón (Obr.8 vpravo) na urýchľovači RHIC. Tento kúsok anti-hyperhmoty obsahuje (anti-protón, anti-neutrón, anti-l) a rozpadá sa na anti-he 3 [2]. Obr.5: Kvarková štruktúra anti-hyperónov a hyperónov. Vieme, že kvarky sa vyskytujú v protóne, neutróne a v hyperónoch vždy v trojiciach, čím sú zabezpečené celočíselné hodnoty náboja protónu, hyperónov, neutrónu, a tým aj jadier a

82 hyperjadier. Ku každému typu kvarku d,u,s,b,c,t (majú odlišné hmotnosti) existuje odpovedajúci anti-kvark (Obr.5). Stabilná anti-hmota sa skladá z anti-kvarkov (u',d') a pozitrónov e +. Podľa súčasných teórií, majú kvarky okrem elektrického náboja ešte aj 3 iné náboje, oveľa silnejšie ako ten elektrický. Tento iný, silnejší náboj udržuje 3 kvarky pokope v hyperónoch, protónoch a neutrónoch. Doteraz nebol potvrdený experiment, v ktorom by boli jasne pozorované voľné kvarky alebo anti-kvarky. Načo sa používa anti-hmota? Antihmota vo forme pozitrónov sa dnes už bežne používa v medicíne. Najskôr sa vyrobia nestabilné jadrá fluóru 18 F pomocou cyklotrónu (Obr.1), pričom ako terč sa použije čistá voda, teda H 2 O. Takýto aktívny (pozitróny emitujúci) fluór sa potom primieša do glukózy, a presne určené množstvo 18 Fluóro-deoxy-glukózy ( 18 FDG) vypije pacient pred vyšetrením na PET tomografe. Následne, sa glukóza prirodzene sústredí v miestach organizmu, kde prebieha zvýšená spotreba energie, teda rast buniek. V prípade dospelého človeka je rýchly rast indikáciou nezdravého procesu delenia buniek. Aktívny fluór 18 F sa premieňa na neškodný kyslík 18 O a emituje pozitróny e +, ktoré okamžite anihilujú, za vzniku dvoch fotónov s energiou 2x 511 kev. Pomocou detektorov (viď Obr. 6) sa určí miesto (na základe polohy a časového rozdielu registrácie fotónov), kde došlo k anihilácii pozitrónu, t.j. kde sa v organizme nachádzala a spotrebovala glukóza ( 18 FDG). Pacient, v ktorého organizme vzniká a anihiluje antihmota (pozitróny), vraj nič zvláštne necíti. Takýmto spôsobom je možné odhaliť vznik ťažkých chorôb v ranom začiatku a zachrániť život mnohým pacientom. Antihmota vo forme pozitrónov teda pomáha liečiť ľudí. Kto by v roku 1932 tušil, že pozitróny (t.j. anti-elektróny objavené Andersonom) budú o 70 rokov neskôr pomáhať liečiť ľudí? Obr.6: Molekula 18 Fluóro-deoxy-glukózy a princíp PET tomografie. Antihmota sa dá v princípe použiť aj ako zásoba energie s veľmi malou hmotnosťou. Naozaj, pri horení akéhokoľvek hmotného paliva sa iba malá časť hmotnosti premieňa na energiu, ale antihmota sa premení na energiu celá (anihiluje). Aj keď v súčasnosti vieme skladovať anti-vodík (v CERN) iba na 15 minút, existujú prvé pokusy a patenty (US 2010/ ) na uskladnenie pozitrónia, t.j. viazaného stavu elektrónu a pozitrónu (e +,e - ). Samotné pozitrónium je známe už dlhú dobu, a pokusy s pozitróniom sa bežne robia aj na FÚ SAV. Nový prístup skladovania je založený na udržaní pozitrónia vo vysoko-excitovanom (Rydbergovom) stave pomocou elektromagnetických polí. V takom excitovanom stave vraj dokáže pozitrónium existovať celé mesiace. To je veľký krok vpred, lebo v súčasnosti dokážeme udržať antihmotu maximálne na desiatky hodín v pozitrónových a anti-protónových zväzkoch urýchľovačov. O využití antihmoty (veľkého množstva pozitrónov) sa uvažuje aj v súvislosti s inerciálnou fúziou. Povieme si v krátkosti, čo to inerciálna fúzia je. Fúzia vodíka prebieha na Slnku, kde je vodík stlačený a zahriaty na vysokú teplotu v dôsledku gravitačnej príťažlivosti atómov vodíka. Pri fúzii postupne vznikajú ťažšie prvky (napr. Hélium) a uvoľňuje sa veľká energia. V známych tokamakoch

83 sa ľudia pokúšajú zahriať vodík na pracovnú teplotu pomocou elektrických prúdov a magnetických polí, ale plazma, ktorá pri tom vzniká je nestabilná. Pokusy sa nedaria tak, ako pôvodne vedci predpokladali, a výťažok energie z fúzie v tokamakoch (napr. experiment ITER) je zatiaľ neuspokojivý. Obr.7: Princíp inerciálnej fúzie a použitie antimoty k zapáleniu vodíka. Ďalším spôsobom spustenia fúzie je stlačenie kvapalného vodíka pomocou laserového žiarenia (viď Obr.7). Pri takom pokuse sa malá guľôčka kvapalného (ťažkého) vodíka umiestni do stredu komory (tzv. Hohlraum), a následne veľmi silným laserovým impulzom sa vodík v guľôčke stlačí na veľkú hustotu, pričom vzniká teplota porovnateľná s teplotou na Slnku. Dochádza takto k fúzii jadier (aj vodíka) ale vytvorené podmienky sú na hranici potrebnej k dosiahnutiu energetického prebytku reakcie (laser spotrebuje energiu). Situácia sa dá prirovnať k dieselovému motoru, kde sa zmes nafty a vzduchu sama zapáli, iba ak je dosiahnutá teplota (a kompresia zmesi) vo valci dostatočná. Dieselové motory fungujú spoľahlivo. V prípade inerciálnej fúzie však laserové svetlo nedokáže stlačiť vodíkovú zmes tak, aby naplno prebehla fúzia. Ak sa vo fáze maximálnej kompresie vodíka vstrekne do objemu horúcej zmesi antihmota, jej okamžitá anihilácia dodatočne zohreje vodík, a spustí sa fúzna reakcia ľahkých jadier. Samozrejme, je treba správne nastaviť predstih zapaľovania (čas vstreknutia anti-hmoty do stlačenej vodíkovej zmesi). Na čo sa dá použiť hyper-hmota? V súčasnej dobe by sme hyper-hmotu, teda hyperóny mohli chápať aj iba ako obyčajnú kuriozitu časticovej fyziky, bez praktického využitia. Veď všetky známe ťažko vyrobené hyperóny a hyperjadrá sa takmer ihneď rozpadajú! A keďže anti-hyperóny majú takmer úplne rovnaké vlastnosti ako hyperóny, ani anti-hyperhmota nám zrejme neprináša prakticky nijaký zaujímavý osoh. Vedci ale zistili, že kvarky typu s,c,b obsiahnuté v základných a ťažkých hyperónoch sa pri rozpadoch správajú trošičku inak ako anti-kvarky s',c',b'. Hyperóny sú teda veľmi dôležité pre pochopenie asymetrického (nerovnakého) správania hmoty a antihmoty (asymetria typu CP ). Okrem toho, v laboratóriách sa vedci pokúšajú vyrobiť aj stabilnú hyperhmotu, vo forme tzv. H- dibaryónu. Existencia H-dibaryónu [7] bola predpovedaná v roku Ide o (zatiaľ neobjavený) super-hustý objekt (hustejší ako jadrá prvkov), ktorý obsahuje 2s, 2d, a 2u kvarky, teda (ssdduu). Ako vytvoriť H-dibaryón? Vedci dúfali, že H-dibaryón sa dá vyrobiť z dvoch LL hyperónov takto: Pomocou hyperónu X - (ssd) a uhlíkového terča, sa reakciou: X C LL He 6 + He 4 + T najskôr vytvorí [8] exotické hyperjadro LL He 6, ktoré obsahuje dva hyperóny. Za kratučký čas, kedy sú dva L hyperóny blízko pri sebe (vnútri v jadre He 4 ) by H-dibaryón mohol vzniknúť, lebo dvojica LL má presne toľko kvarkov 2x(sdu) ako H-dibaryón (ssdduu). Namiesto očakávanej reakcie LL He 6 H + He 4 bola však pozorovaná [8] emisia protónu: LL He 6 p + L He 5 + p - a následný rozpad hyperjadra LHe 5. Existuje aj možnosť vyrábať H-dibaryón na vodíkovom terči: X - + p H(ssdduu) priamo (viď Obr.8), lebo všetky potrebné kvarky sú už obsiahnuté v protóne (duu) a hyperóne X - (k protónom sú X - hyperóny elektrostaticky priťahované)

84 Obr.8: Vznik H-dibaryónu a rozpad anti-hyper-tritónu v zrážke Au+Au. Podobne, ako reakciou X - (ssd) + p (duu) H(ssdduu) (viď Obr.8) by bolo možné vyrábať aj anti-h dibaryóny, lebo v zrážkach ťažkých jadier (na urýchľovači LHC a RHIC) vzniká dostatok antiprotónov a anti-x - hyperónov naraz blízko pri sebe. Tieto sa môžu zlepiť do stavu [anti- X +,anti-p - ] podobne, ako vzniká anti-hyper-tritón (Obr.8). Ak by H-dibaryón (aj anti-h-dibaryón) bol stabilný [9], znamenalo by to existenciu stabilnej hyperhmoty (resp. anti-hyperhmoty). Kedže ide o elektricky neutrálny objekt, neviaže sa s elektrónmi, ani pozitrónmi, je teda x menší ako atóm vodíka! Predpokladá sa, že hyperóny sa nachádzajú vnútri neutrónových hviezd, kde by mohli vznikať aj H-dibaryóny. Ak by náhodou veľkosť stabilných (anti)h-dibaryónov bola oveľa menšia ako veľkosť protónu a neutrónu, s okolitým prostredím by takmer neinteragovali, a mohli by sa právať aj ako tmavá (anti)hmota vo vesmíre. Čo to je tmavá hmota? Na existenciu tmavej hmoty (dark matter) vo vesmíre prišli astronómovia, ktorí merali rýchlosť rotácie galaxií. Pomocou jednoduchého výpočtu dostredivej sily bolo zistené, že viditeľnej hmoty (hviezd) v galaxii nie je dostatočne veľa na to, aby gravitačne udržali vonkajšie hviezdy na ich kruhových dráhach. Koľko tmavej hmoty je potrebnej, aby zákony gravitácie boli platné aj na galaktickej škále? Podľa výpočtov, tmavej hmoty má byť v galaxiách 5x viacej ako žiariacej hmoty v hviezdach. Z čoho (akých častíc) sa tmavá hmota skladá však zatiaľ nevieme. Uvažujú sa napr. tajomné WIMPs = slabo interagujúce masívne častice, (sterilné) neutrína, či anomálne malé strangelety (H-dibaryóny). Exotická anti-hyper-hmota by tiež mohla byť tmavou hmotou. Obr.9: Rotácia galaxie vyžadujúca Tmavú hmotu, a naša Milky Way

85 Záver Pojmy antihmota, hyper-hmota a tmavá hmota patria do aktuálnych a nedoriešených oblastí fyziky. Ich začlenenie do učebných plánov na SŠ môže dodatočne motivovať študentov stredných škôl k poznávaniu fyzikálnych zákonov. Poďakovanie Poznatky a úvahy prezentované v tomto príspevku boli získané na základe riešenia grantového projektu SR: VEGA č.1/0171/11. Autor je vďačný Barbore K. za korekcie textu. [1] STAR coll., Observation of the Antimatter He-4 nucleus. In: Nature 473, (2011) s [2] STAR coll., Observation of an Antimatter Hypernucleus. In: Science 328, (2010) s [3] S.C. Wilks et al., Electron-positron plasmas created by ultra-intense laser pulses. In: Astrophysics and Space Science 298 (2005) [4] V. Bonvicini et al., The PAMELA experiment in space, In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 461 (2001) [5] Y.Enomoto et al., Synthesis of Cold Antihydrogen in a Cusp Trap, In: Physical Review Letters 105 (2010) s [6] J. Schwinger, A Magnetic Model of Matter, Science 165 (1969) [7] R.L. Jaffe, Perhaps a Stable Dihyperon, In: Physical Review Letters 38 (1977) [8] H. Takahashi et al., Observation of ΛΛ He 6 Double Hypernucleus, In: Physical Review Letters 87 (2001) [9] G.R. Farrar a G. Zaharijas, Nuclear and nucleon transitions of the H dibaryon, In: Physical Review D 70 (2004), s Adresa autora Mgr. Peter Filip, PhD. Fyzikálny ústav SAV Dúbravská cesta 9, Bratislava Peter.Filip@savba.sk

86 VOĽNE DOSTUPNÉ APLIKÁCIE PRE VYUČOVANIE TÉMY ZVUK František Gomboš Gymnázium, Kukučínova, Poprad Abstrakt: Aj keď sa technické vybavenie škôl postupne vylepšuje, mnohé školy nevlastnia merací systém typu IP COACH, VERNIER a pod. Obsahom príspevku je popis náhradného riešenia formou voľne dostupných aplikácií pre vyučovanie témy Zvuk. V prvej časti je popísaný program Saundcard Scope. Druhá časť je venovaná využitiu smartphonu ako novej možnej učebnej pomôcky. Kľúčové slová: zvuk, Saundcard Scope, smartphone Úvod Školám, ktoré nie sú vybavené meracími systémami typu IP COACH, VERNIER a pod., ktoré umožňujú zviditeľniť zvuk, odmerať rýchlosť zvuku, či urobiť frekvenčnú analýzu alebo odmerať hladinu intenzity zvuku, môžu vykonávať experimenty z danej oblasti aj bez veľkých finančných nákladov. Na Slovensku by už nemala existovať škola bez výpočtovej techniky, dokonca nám žiaci začínajú nosiť do školy vlastné notebooky a využívajú ich vo vyučovacom procese. Ďalšími pomôckami sú len mikrofón (postačuje aj mikrofón spojený so slúchadlami), slúchadla na mobil alebo MP3 prehrávače atď. 1 Saundcard Scope Z internetu [1] je potrebné stiahnuť program Saundcard Scope. Program je možné využívať zdarma pre súkromné a vzdelávacie účely. V plnej miere nahrádza platené zariadenia. Využíva zvukovú kartu ako ADDA prevodník, ktorý mení elektrické napätie na digitálny signál a naopak. Po rozbalení súboru do pripraveného adresára program inštalujeme príkazom install.msi. Pri prvom spustení nám program ponúkne výber jazyka, ktorý môžeme kedykoľvek zmeniť. Program je lokalizovaný aj do češtiny. Po zatvorení informačného okna sa zobrazí úvodná obrazovka programu (Obr. 1). Obr. 1: Úvodná obrazovka po spustení programu Ovládanie programu je intuitívne a niektoré možnosti jeho využitia sú popísané na nasledujúcich aktivitách

87 1.1 Meranie rýchlosti zvuku I Najjednoduchšou metódou, ako odmerať rýchlosť zvuku, je vychádzať priamo z definície samotnej rýchlosti: rýchlosť zvuku = vzdialenosť, do ktorej sa zvuk šíri čas, za ktorý zvuk sa šíri do danej vzdialenosti Na vymedzenie vzdialenosti, ktorú prejde zvuk, môžeme použiť záhradnú hadicu rôznej dĺžky. Konce hadice pomocou stojana upevníme tesne vedľa seba (Obr. 2). Obr. 2: Meranie rýchlosti zvuku pomocou záhradnej hadice Na určenie času, za ktorý zvuk sa šíri hadicou, použijeme Saundcard so záložkou Osciloskop. K jednému koncu hadice priložíme mikrofón pripojený na zvukovú kartu a pri druhom konci hadice luskneme prstami. Horným kruhovým ovládačom Citlivost K1 nastavíme citlivosť osciloskopu tak, aby signál vytvorený mikrofónom sa zmestil na plochu obrazovky. Dolným ovládačom Čas, pri použití hadice dĺžky 3,4 m, nastavíme dĺžku časovej osi na 15 ms. Spúšťanie merania nastavíme výberom z možností na jednorazové. Meranie v dolnej časti nastavíme na kurzory a zaškrtneme možnosť čas. V okne sa objavia dve zvislé čiary, ktorých polohu môžeme meniť. Vzdialenosť medzi nimi určuje časový interval, hodnotu ktorého odčítame na obrazovke ako hodnotu dt. Žltý kríž uchopíme myšou a presunieme do polohy, ktorú keď dosiahne hodnota citlivosti signálu, spôsobí zastavenie merania. Samotné meranie spustíme stlačením tlačidla Start/stop. Rozsvieti sa signalizácia na tlačidle a opäť luskneme prstami. Mali by sa objaviť dva výrazné záznamy lusknutia (Obr. 3). Obr. 3: Meranie rýchlosti zvuku I

88 Prvý signál odpovedá lusknutiu, ktoré zachytil mikrofón priamo a druhý signál odpovedá lusknutiu, ktoré sa do mikrofónu dostalo po hadici s časovým oneskorením. Zvislé červené čiary posunieme do polôh, ktoré odpovedajú tej istej časti záznamu. Časové oneskorenie odčítame z obrazovky. Pre rýchlosť zvuku dostaneme: s 3,4m v = = = 347m /s t 0,009797s Pred ďalším meraním opäť musíme stlačiť tlačidlo Start/stop. Metodická poznámka: Na meranie rýchlosti zvuku používam hadice dĺžky 3,4 m; 2,55 m a 1,7 m. Odpovedajúce časy, ktoré by mali žiaci namerať sú pod 10 ms; 7,5 ms a 5 ms. Pri meraní dĺžky hadice je potrebné dávať pozor, aby žiaci hadicu nenaťahovali. 1.2 Meranie rýchlosti zvuku II Program umožňuje merať dva nezávislé kanály, jeden zobrazuje priebeh signálu zelenou farbou a druhy červenou farbou. Na snímanie zvuku použijeme slúchadlá do uší, ktoré sa dodávajú napr. ku mobilným telefónom alebo MP3 prehrávačom (Obr. 4). Obr. 4: Meranie rýchlosti zvuku pomocou slúchadiel do uší Na meranie vzdialeností medzi slúchadlami použijeme napr. milimetrové meradlo nalepené na lište na káble. Slúchadlá upevníme na lištu pomocou plastelíny. Zelenou plastelínou upevníme slúchadlo, ktoré bude ako prvé snímať zvuk. Zároveň toto slúchadlo predstavuje kanál 1; záznam zvuku sa zároveň zobrazuje zelenou farbou (dopredu si to zistíme pokusom). Na odmeranie času, za ktorý zvuk sa dostane k druhému slúchadlu neskôr, opäť použijeme Saundcard so záložkou Osciloskop s podobným nastavením ako u predchádzajúcej aktivity. Čas ovládačom nastavíme na 4 ms pri maximálnej vzdialenosti 0,5 m medzi slúchadlami. Žltý kríž nastavíme do vhodnej polohy a spúšťanie merania prepneme na kanál 2 (Obr. 5). Obr. 5: Meranie rýchlosti zvuku II

89 Ak luskneme prstami pred prvým slúchadlom, na obrazovke osciloskopu sa zobrazia dva záznamy lusknutia v zelenej a červenej farbe. Signál v červenej farbe bude posunutý voči signálu v zelenej farbe doprava o nejaký čas neskôr. Ak je červený signál veľmi slabý, zrušíme zaškrtnutie nastav oba pod ovládačmi citlivosti a zvýšime citlivosť kanála 2. Zvislé červené čiary opäť posunieme do polôh, ktoré odpovedajú tej istej časti záznamu. Časové oneskorenie odčítame z obrazovky. Metodická poznámka: Túto metódu merania rýchlosti zvuku dávam žiakom ako domácu aktivitu. Ich úlohou je urobiť päť meraní pri rôznych vzdialenostiach medzi slúchadlami. Z nameraných hodnôt majú zostrojiť graf závislosti vzdialenosti na čase. Na zostrojenie grafu používajú program Tracker (Obr. 6) a zo smernice grafu majú určiť rýchlosť zvuku vo vzduchu. Tab. 1: Namerané hodnoty vzdialenosti medzi slúchadlami a odpovedajúce časy s 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 [m] t [10 - s] 1,430 1,265 1,122 0,994 0,845 Obr. 6: Graf vytvorený programom Tracker Rýchlosť zvuku určená zo smernice grafu je 346 m/s. 1.3 Meranie rýchlosti zvuku III Na zvukovú kartu pripojíme mikrofón. Ako zdroj zvuku použijeme skúmavky rôznej veľkosti. Fúkaním nad otvor skúmavky takmer rovnobežne s otvorom tvoríme zvuk určitej frekvencie. V skúmavke nastáva chvenie vzduchového stĺpca, pričom na uzatvorenom konci skúmavky vzniká uzol. Kmitňa stojatého vlnenia sa vytvára nad otvoreným koncom skúmavky, kde sa vlnenie odráža, preto k hĺbke skúmavky h je potrebné prirátať vzdialenosť h. Dĺžková korekcia h = 0,3.d, kde d je priemer skúmavky [2]. Vlnovú dĺžku zvuku určíme zo vzťahu λ = 4. (h + h), kde h je hĺbka skúmavky a h je dĺžková korekcia. Frekvenciu odmeriame pomocou programu Soundcard Scope. Program prepneme na záložku Frekvenční analýza (Obr. 7). Mikrofón priložíme ku skúmavke, fúkaním vytvoríme zvuk a tlačidlom Start/stop zastavíme meranie. Na obrazovke sa zobrazí dominantná frekvencia reprezentovaná najvyššou zelenou čiarou. Ak vytvorený zvuk je zložený, napravo od dominantnej frekvencie sa zobrazia aj vyššie harmonické. Myšou uchopíme žltú čiarkovanú čiaru a presunieme ju na miesto so zvislou zelenou čiarou. Pomocou jazdca posúvača Zvětšení si okno môžeme upraviť pre presnejšie nastavenie pozície žltej čiarkovanej čiary. Hodnotu frekvencie odčítame v okne Frekvence na pozici kurzoru

90 Obr. 7: Meranie rýchlosti zvuku III Metodická poznámka: Na skúmavke s hĺbkou h = 7,9 cm a priemerom d = 1,0 cm vytvoríme zvuk s frekvenciou 1012 Hz. Pre rýchlosť zvuku dostaneme: v = λ. f = 4. (7,9 + 0,3. 1,0) m s -1 = 344 m.s Saundcard Scope ako zdroj zvuku Aplikáciu môžeme použiť aj ako zdroj zvuku s nastaviteľnou frekvenciou, keď vyberieme záložku Generátor signálů (Obr. 8). Tento program použijeme ako zdroj zvuku s nízkou frekvenciou pre model ucha. Na zhotovenie modelu použijeme malé vedierko, ktorému odrežeme dno. Namiesto dna upevníme potravinársku fóliu. Takto sme vytvorili pre vonkajšie ucho zvukovod a bubienok. Stredné ucho zhotovíme zo slamiek na pitie, zlepíme priesvitnou lepiacou páskou. Každú kostičku modelujeme slamkou inej farby. Jeden koniec nastrihneme niekoľkokrát do hĺbky asi 0,5 cm. Konce ohneme a prilepíme do stredu potravinárskej fólie. Na druhý koniec prilepíme pingpongovú loptičku alebo loptičku z polystyrénu. Vnútorné ucho modelujeme nádobou s vodou, do ktorej vložíme loptičku. Obr. 8: Model ucha Ako zdroj zvuku použijeme reproduktor, ktorý má ľahko pohyblivú membránu. Cez zosilňovač reproduktor prepojíme s výstupom zo zvukovej karty. Na generátore nastavíme frekvenciu v rozsahu Hz a spustíme tlačidlom zapnuto pre príslušný kanál. Zvuk tvorený reproduktorom rozkmitá potravinársku fóliu. Kmity fólie sa slamkami prenášajú na kmitavý pohyb loptičky, ktorá rozvlní povrch vody v nádobe. Vlny na vodnej hladine sú pri vhodnom uhle pohľadu dobre viditeľné. Generátor signálů má dva nezávislé kanály, ktoré môžeme využiť pre vytvorenie rázov. Nastavíme frekvencie s odstupom 1 až 3 Hz (napr. 440 Hz na jednom kanáli a na druhom 441 Hz). Po spustení oboch kanálov prepneme sa na záložku Osciloskop. Pripojíme mikrofón na vstup zvukovej karty a nastavíme vhodnú citlivosť a časovú os. Na obrazovke sa objaví časový priebeh rázov (Obr. 9), ktoré zároveň aj počujeme

91 Obr. 9: Rázy 2 Smartphone Smartphone je označenie pre tzv. chytrý telefón, čo znamená telefón s niektorým z otvorených operačných systémov, napríklad Windows Mobile, Android alebo ios, ktorý umožňuje aby bol prístroj vybavený bohatou základnou výbavou, alebo neskôr rozšírený o ďalšie aplikácie na prácu. "Smartphone" slúži predovšetkým na komunikáciu a zábavu. Typickým príkladom smartphonu s operačným systémom ios je iphone a so systémom Android Samsung Galaxy S. [3] Cena týchto najdrahších telefónov v súčasnosti sa pohybuje na úrovni cien notebookov. V každej triede sa však medzi žiakmi nájde niekoľko majiteľov týchto chytrých telefónov. Na vzdelávacie účely je vhodnejší mobil s operačným systémom Android, do ktorého sa dajú stiahnuť zdarma aplikácie z internetu. Metodická poznámka: Ak nie sme majiteľom takéhoto telefónu, môžeme poprosiť žiakov, aby stiahli tieto aplikácie využiteľné vo vyučovaní do svojich telefónov. Keď som prezentoval tieto aplikácie na vyučovaní pomocou vlastného telefónu, po hodine žiaci sami prejavili záujem a prišli si pýtať adresu na stiahnutie týchto programov. 2.1 Meranie frekvencie zdroja zvuku Aby sme mohli použiť telefón na meranie frekvencie, zo stránky [4] si potrebujeme stiahnuť napr. aplikáciu Tuner gstring Free. Táto aplikácia je vlastne ladičkou pre gitaru a iné hudobné nástroje. Zvolíme tlačidlo Tune auto, frekvencia zvuku sa zobrazí na displeji telefónu. Stačí mať telefón v blízkosti zdroja zvuku. Ako zdroj zvuku môžeme použiť napr. 10 centovú mincu alebo maticu, ktorú vložíme do balóna, nafúkneme ho a balón roztočíme (Obr. 10). Pri valivom pohybe mince alebo matice po vnútornom obvode balóna, zúbky narážajú na jeho povrch a rozkmitajú ho s istou frekvenciou. Obr. 10: Meranie frekvencie zdroja zvuku pomocou smartphonu a aplikácie gstring

92 2.2 Meranie hladiny intenzity zvuku Na meranie hladiny intenzity zvuku potrebujeme stiahnuť z internetu napr. program Sound Meter [5]. Aplikácia umožňuje merať hladinu intenzity zvuku v decibeloch. Na stupnici sa nám zároveň zobrazuje minimálna, priemerná, maximálna a okamžitá hodnota hladiny intenzity zvuku. Na displeji telefónu si môžeme voliť jeden z dvoch zobrazovacích módov: zvukové pravítko alebo grafický mód. Táto aplikácia sa môže použiť na meranie hladiny intenzity zvuku rôznych zdrojov zvuku jednotlivo alebo v rôznej kombinácii. Ďalšou aktivitou môže byť meranie závislosti hladiny intenzity zvuku od vzdialenosti zdroja zvuku a mobilu alebo určovanie najlepšieho zvukového izolátora (Obr. 11). Obr. 11: Určovanie najlepšieho zvukového izolátora Najprv urobíme kontrolné meranie pre vhodný zdroj zvuku, ktorý nemení svoju hlasitosť. Na obrázku ako zdroj zvuku je použitý zvonček zo súpravy. Potom tento zdroj zvuku umiestnime napr. do papierovej krabice od topánok, plastového vedra, drevenej krabice, zabalíme do uteráka a pod. Prostredia môžeme ľubovoľne kombinovať alebo meniť hrúbku daného prostredia podľa podmienok, ktoré máme. Zakaždým zaznamenáme hodnotu hladiny intenzity zvuku a na záver zo žiakmi diskutujeme o vplyve prostredia na tlmenie zvuku. Toto meranie môžeme zopakovať pre dva zdroje, ktoré produkujú nízky a vysoký zvuk a zisťovať, ktorý z nich sa lepšie utlmuje [6]. Záver Učivo o zvuku som vyučoval metódou aktívneho žiackeho bádania (INQUIRY-BASED SCIENCE EDUCATION) v rámci projektu ESTABLISH (European Science and Technology in Action Building Links with Industry, Schools and Home). Práca na projekte bola pre mňa obohatením v metódach vyučovania fyziky. Pre žiakov to bol netradičný spôsob získavania poznatkov. Nový spôsob vyučovania prijali pozitívne, bol pre nich zaujímavý. Aktivity popísané v príspevku sú alternatívou alebo rozšírením ku aktivitám vytvorených v rámci projektu. Sú nenáročné na čas a na pomôcky (ak neberieme do úvahy smartphone). Žiaci ich môžu realizovať aj v domácich podmienkach. Poďakovanie Príspevok vznikol pri riešení projektu 7.rámcového programu ESTABLISH (No ). Poďakovanie patrí doc. RNDr. Mariánovi Kirešovi, PhD. a doc. RNDr. Zuzane Ješkovej, PhD

93 Literatúra [1] Soundcard Oscilloscope [online]. ver Počítačový program. [cit ]. Dostupné na < en>. [2] Didgeridoo_pvc.pdf. [cit ]. Dostupné na < [3] Smartphone. [cit ]. Dostupné na < [4] Tuner gstrings Free [online]. Chromatická ladička pre gitaru. [cit ]. Dostupné na < eveloper#?t=w251bgwsmswxldewmiwib3jnlmnvag9ydg9ylmdzdhjpbmdzil0>. [5] Hlukoměr Sound Meter [online]. [cit ]. Dostupné na < 51bGwsMSwxLDEsImtyLnNpcmEuc291bmQiXQ..> [6] European Science and Technology in Action Building Links with Industry, Schools and Home. Pracovná skupina 3. Vyučovacia jednotka ZVUK. Pracovné listy. s Adresa autora Mgr. František Gomboš Gymnázium Kukučínova 4239/ Poprad

94 AKO SA TVORIA POZNATKY POZNÁVANIE S VYUŽITÍM METÓDY ČIERNEJ SKRINKY Viera Haverlíková Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave Abstrakt: V príspevku je predstavená vzdelávacia aktivita určená žiakom nižšieho a vyššieho sekundárneho vzdelávania. Úlohou žiakov je určiť obsah čiernych skriniek bez ich otvorenia. Cieľom aktivity je: 1. rozvíjať schopnosti žiakov systematicky pozorovať, skúmať, formulovať hypotézy, argumentovať, spolupracovať a kooperovať v skupine; 2. predstaviť vedu ako živú tvorivú spoločenskú aktivitu. Skúmanie čiernych skriniek tu slúži ako analógia tvorby vedeckých poznatkov na základe pozorovania a otvorenosti vedeckých poznatkov voči budúcej revízii. V príspevku je uvedený návod na realizáciu aktivity a skúsenosti z jej praktického overovania so žiakmi 8. a 9. ročníka základnej školy. Kľúčové slová: čierna skrinka, poznatok, model, argumentácia Úvod Metóda čiernej skrinky nie je v didaktike fyziky novinkou. Zaoberali sa ňou mnohí odborníci - z teoretického i aplikačného hľadiska (napr. Amato, 2010, Brunsell, 2010, Lederman, Abd-El- Khalick, 1998). Na Slovensku sa využitiu čiernych skriniek vo vyučovaní dlhodobejšie venuje Ľ. Onderová (napr. Onderová, 2009). Čierna skrinka ako metóda poznávania nachádza výrazné uplatnenie v poznávacej koncepcii portálu virtuálneho centra vedy SCHOLA LUDUS on-line (Teplanová, 2011). V príspevku sú popísané ciele, priebeh a výsledky praktického overovania vzdelávacej aktivity Tajomné škatuľky. Táto aktivita nie je prioritne zameraná na poznávanie konkrétneho fyzikálneho javu. Jej hlavnými didaktickými cieľmi sú: porozumieť princípu vzniku poznatkov založených na pozorovaní, vnímať vedu ako tvorivú spoločenskú činnosť, ktorej výsledky (poznatky) sú otvorené ďalšiemu bádaniu, výskumu, vplyvom ktorého môžu byť revidované, rozvíjať argumentačné schopnosti, prehĺbiť porozumenie pojmov hypotéza, pozorovanie, modelovanie. Aktivita Tajomné škatuľky je vhodná na priblíženie vedeckých postupov poznávania už na úrovni základnej školy, nie je závislá od nadobudnutia predchádzajúcich školských poznatkov z fyziky. Motivácia Motiváciou k zostaveniu vzdelávacej aktivity Tajomné škatuľky boli: zistenia pedagogického prieskumu realizovaného na vzorke 113 žiakov bratislavských základných škôl, ktoré ukázali, že viac ako 30% žiakov neodlišovalo opis pozorovaného javu a vlastné vysvetlenie (Biznárová, 2004). výsledky zahraničných výskumov poukazujúce na skutočnosť, že väčšina žiakov si myslí, že vedecké poznatky sa menia vďaka inováciám v oblasti technológií používaných pri pozorovaní a meraní, ale nechápe, že zmena teórie si vyžaduje nové pozorovania alebo reinterpretáciu predchádzajúcich pozorovaní. Žiaci sa často odvolávajú na osobné skúsenosti ako na dôkazy potvrdzujúce hypotézy. V ich predstavách sú dôkazy vybrané z toho, čo už je známe alebo z osobnej skúsenosti alebo z informácií z druhej ruky, nie informácie získané experimentom. Žiaci majú tendenciu všímať si a akceptovať len dôkazy, ktoré sú v súlade s ich prvotnými

95 predstavami. Dôkazy, ktoré s ich prvotnými predstavami nie sú v súlade, skresľujú alebo ich prehliadajú (Benchmarks for Science Literacy, 2009). skúsenosti vysokoškolských pedagógov na FMFI UK poukazujúce na dlhodobo pretrvávajúce ťažkosti študentov študenti nerozumejú dostatočne pojmom vedecká teória, hypotéza, dôkaz, neodlišujú výsledky experimentu od ich interpretácie, nevedia samostatne navrhnúť metódy overovania hypotéz. V Štátnom vzdelávacom programe (2009) pre nižšie sekundárne vzdelávanie sú medzi cieľmi predmetu Fyzika okrem iných uvedené aj ciele: V intelektuálnej oblasti: -... vedieť navrhnúť metódy testovania hodnovernosti vysvetlení, - vedieť rozlíšiť argumenty od osobných názorov, spoľahlivé od nespoľahlivých informácií, - vedieť obhájiť vlastné rozhodnutia a postupy logickou argumentáciou založenou na dôkazoch. V oblasti schopností a zručností: - vedieť správne formulovať aj otázky aj odpovede, ale aj počúvať druhých. Dokázať obhájiť svoj názor a nehanbiť sa priznať vlastnú chybu. V postojovej oblasti: - naučiť žiakov pristupovať k riešeniu problémov, - vytvárať pozitívny vzťah žiakov k procesu poznávania a zdokonaľovania svojich schopností. V sociálnej oblasti: - uvedomiť si poslanie prírodných vied ako ľudského atribútu na vysvetlenie reality nášho okolia, - vedieť sa rozhodovať. Pri konkrétnom plánovaní aktivity Tajomné škatuľky sme vychádzali z aktivity Mystery boxes pripravenej vzdelávacím tímom Science Museum v Londýne v rámci projektu Talk Science. Popis vzdelávacej aktivity Tajomné škatuľky Úloha: Zistite, čo je vnútri tajomných škatuliek (uzavretých plechoviek) bez ich otvorenia. Pomôcky pre triedu rozdelenú na 5 skupiniek: 5 plechoviek čiernych skriniek označených číslami, 5 plechoviek - testovacích skriniek, pre každú skupinku 5 lepiacich papierikov (post-it), pre každého žiaka pracovný list, súbor testovacích telies V prípade dostupnosti, možno v etape modelovania poskytnúť súbor testovacích telies samostatne pre každú skupinu, digitálne váhy, magnet, uhlomer. Priebeh vzdelávacej aktivity 1. Rozdelenie žiakov na skupinky (2 minúty) V záujme vytvoriť zmiešané skupiny, môžu byť žiaci rozdelení do skupín losovaním - vyberaním papierikov z nepriehľadného vrecúška. Žiaci, ktorí si vylosujú papieriky rovnakej farby, tvoria skupinu. 2. Úvod (3 minúty) Poukázanie na usudzovanie, tvorbu hypotéz a ich overovanie v každodennom živote: Iste sa vám už niekedy stalo, že ste vedeli o niečom, čo ste priamo nevideli. Napríklad ráno, keď sa prebudíte, môžete odhadnúť, kto u vás doma už vstal. Na základe čoho to viete usúdiť? Ako sa môžete

96 presvedčiť, že váš predpoklad, vaša hypotéza bola správna? Môžete uviesť aj iný príklad, kedy bežne tvoríte hypotézy a ako ich overujete? (napr. Kto je v kúpeľni? Ušiel mi autobus?) 3. Zadanie problému úlohy (3 minúty) Každá skupinka dostane jednu uzavretú plechovku. Vašou úlohou ako skupiny je usúdiť, čo je vnútri. Plechovku však nesmiete otvoriť. Na stole je papier pre každého z vás, aby ste si mohli robiť poznámky, zachytiť svoje návrhy a dôvody, prečo si myslíte, že je v plechovke práve to, čo tvrdíte. Na skúmanie plechovky máte 2 minúty potom sa ako skupina musíte dohodnúť, čo je podľa vás v plechovke a napísať váš spoločný záver na lepiaci papierik. Postupne budete skúmať päť plechoviek. Pre každú plechovku máte samostatný papierik. Ten neskôr budeme používať. 4. Riešenie úlohy v skupinkách (15 minút) Skupinky postupne skúmajú plechovky. Pri riešení úlohy možno žiakom pomôcť otázkami. Napríklad: Z akého materiálu je podľa vás predmet v škatuľke? Koľko miesta podľa vás zaberá predmet v škatuľke? Ako sa predmet v škatuľke pohybuje? Aký má predmet podľa vás tvar? Viete nakresliť, ako podľa vás predmet vyzerá? Otázky môžu byť napísané na pracovnom liste, alebo ich môže učiteľ ústne adresovať celej triede. Vždy po dvoch minútach sú žiaci upozornení: Dohodnite sa, napíšte svoje riešenie na lístoček, po ďalšej minúte nastane výmena škatuliek. 5. Reflexia (3 minúty) Žiaci individuálne premýšľajú o postupe riešenia: Na druhú stranu pracovného listu napíšte, čo všetko ste robili, aby ste našli riešenie, aby ste odhalili, čo je v škatuľke. Žiakom možno pomôcť otázkami: Ako ste zistil, že predmet je vyrobený z tohto materiálu? (prvotné poznatky) Pracoval niekto celkom potichu? (diskusia) Skúmali ste všetky škatuľky rovnakým spôsobom? (systematický prístup) Ako ste rozhodli o závere vašej skupiny? (vyjednávanie, argumentovanie, diskusia) Podal niekto z vás návrh, ktorý ste potom overovali? (hypotéza, testovanie, závery) Vytvorili ste si v hlave alebo na papieri obrázok toho, čo by mohlo byť vnútri škatuľky? (predstavivosť, vizualizácia, tvorivosť) 6. Spoločná diskusia (7 minút) Ako ste úlohu riešili? diskusia podľa zoznamu v pracovných listoch, vyzdvihnutie činností analogických s prácou vedca Učiteľ na tabuľu pripraví tabuľku pre každú plechovku jedno okienko, do ktorého žiaci nalepia papieriky so svojimi skupinovými závermi. Učiteľ vyberie prípad, v ktorom väčšina skupiniek prišla k rovnakému alebo podobnému záveru. Vysvetlí, že tu už bola dosiahnutá medzi-skupinová dohoda o obsahu škatuľky. Aj bez otvorenia škatuľky môžeme pomerne isto tvrdiť, že vieme, čo je vnútri, že poznáme obsah škatuľky. Učiteľ vyberie kontrastný prípad, v ktorom sa skupiny líšia v návrhoch tvaru alebo materiálu, z ktorého je predmet v škatuľke. Sú dôkazy niektorej skupiny presvedčivejšie ako dôkazy inej skupiny? V prípade potreby žiaci môžu opätovne skúmať vybranú škatuľku, výsledkom môže byť zmena názoru (analógia s prácou vedca - peer-review). Ako môžeme zvýšiť istotu svojho presvedčenia o obsahu škatuliek? žiaci navrhujú ďalšie testy (napr. zistenie magnetických vlastností priložením magnetu, röntgen, ultrazvuk), diskusia o ich vhodnosti v danej situácii. 7. Modelovanie (7 minút) Zvýšiť istotu svojho presvedčenia môžeme aj tak, že do prázdnej plechovky vložíme predmet, o ktorom predpokladáme, že je v uzavretej škatuľke vytvoríme model. Následne porovnáme skúmanú škatuľku s modelom. Zistíme, či rovnaké podnety (naklonenie, prevrátenie, priloženie magnetu a pod.) vedú u skúmaného a modelového systému k rovnakým odozvám (valivý pohyb, posuvný pohyb, pritiahnutie k magnetu,...). Každá skupinka si vyberie jednu tajomnú škatuľku a dostane jednu prázdnu plechovku. Do prázdnej plechovky môže vkladať telesá zo súboru testovacích telies. Súbor testovacích telies je

97 volený tak, aby obsahoval všetkých päť telies použitých v uzavretých škatuľkách a telesá podobné (napr. loptičky rôzneho polomeru, vyrobené z rôznych materiálov, polguľa; kocka, kváder, trojboký hranol a pod.). 8. Spoločná diskusia, zhodnotenie, záver (5 minút) Chcete na základe modelovania zmeniť niektorý zo záverov zachytených na tabuli? Môžeme teraz povedať, že poznáme obsah každej škatuľky? Neexistuje jediná jednoznačná odpoveď. Pri niektorých škatuľkách žiaci sami zistia, že možných je niekoľko alternatívnych záverov - škatuľky naďalej ostávajú tajomné. Na základe dostupných metód napríklad nemožno určiť, či je v škatuľke plastový vrchnák z fľaše alebo prstenec - zostatok z lepiacej pásky. Nové testy a nové dôkazy môžu v budúcnosti spôsobiť, že vytvorené predstavy bude treba prepracovať. Opätovné poukázanie na analógiu celej aktivity s prácou vedcov: Vedci skúmajú aj objekty a javy, ktoré sú príliš malé, príliš veľké, príliš ďaleké alebo inak nedostupné. Vyslovujú hypotézy, testujú ich, pozorujú, robia experimenty, starostlivo zaznamenávajú ich priebeh a výsledky, vytvárajú modely, diskutujú. Vedecká práca je aj spoločenská a tvorivá. Nemožnosť otvoriť škatuľky a presvedčiť sa o správnosti získaného poznatku môže byť pre niektorých žiakov ťažšie prijateľná, ale neotvorenie škatuľky posilňuje analógiu s prácou vedcov. Aktivita tak nadobudne emocionálny náboj, ktorý je predpokladom dlhodobého zapamätania jej priebehu a záverov. Obr. 1. Realizácia aktivity v letnom tábore Obr. 2. Záznam zo skúmania škatuliek Skúsenosti z realizácie Aktivita Tajomné škatuľky bola pilotne testovaná počas letného fyzikálneho tábora Experimentáreň detí vo veku 9 15 rokov. Deti vo veku 9-11 rokov nevedeli, ako majú úlohu riešiť, nepostupovali systematicky, rozhodovali sa prevažne podľa zvuku. Staršie deti po počiatočnom bezhlavom hrkaní škatuľkou samé prišli na to, že je užitočnejšie škatuľku pomaly pretáčať, nakláňať. (Obr. 1, 2) Pri pilotnom testovaní ešte modelovanie obsahu škatuľky nebolo súčasťou aktivity. Po pilotnom testovaní bol zmenený obsahu niektorých škatuliek. V roku 2012 bola vzdelávacia aktivita Tajomné škatuľky experimentálne realizovaná celkovo so 74 žiakmi 8. a 9. ročníka základnej školy v Gbeloch (Obr. 3). Žiaci pracovali s dvomi verziami pracovného listu. Jedna verzia obsahovala len zadanie a tabuľku - rozčlenený priestor na zaznamenávanie pozorovania. Druhá verzia obsahovala navyše pomocné otázky. Vplyv uvedenia pomocných otázok na pracovnom liste sa ukázal ako menej významný než vplyv skupiny. Záznamy väčšiny žiakov boli zhodné so záznamami ostatných žiakov v skupine, u niektorých bol vplyv skupiny zrejmý z korekcie pôvodného zápisu (prečiarknutie, nahradenie textu). Proces argumentácie u žiakov si vyžaduje ďalší výskum. Zo záznamov uvedených v pracovných listoch nie je možné zistiť, ako sa skupina dopracovala k spoločnému stanovisku či žiaci spolu

98 diskutovali, aké argumenty uvádzali. Potrebné je štruktúrované pozorovanie komunikácie v skupine. V tabuľke 1 (Tab. 1) je uvedený prehľad žiackych záznamov zo skúmania škatuliek. Odpovede žiakov sme roztriedili do niekoľkých kategórií podľa kontextu, ktorého sa týkali. Interval percentuálneho výskytu danej kategórie znamená najnižší a najvyšší výskyt odpovedí danej kategórie pri skúmaní jednotlivých škatuliek. Tab. 1 Žiacke záznamy pozorovania - prehľad kategórií a ich výskyt Kategória záznamu zastúpenie pre jednotlivé škatuľky % Pohyb telesa (napríklad kotúľa sa, posúva sa, skáče) 5 22 Zvuk (napríklad dutý, kovový) 4 19 Materiál (napríklad guma, drevo, kov, plast) Tvar (napríklad hranatý, guľatý, zaoblený) 8 23 Veľkosť (napríklad veľké, malé, ¼ škatuľky) Náčrt Posúdenie hmotnosti (ľahké, ťažké) 8 14 Konkrétny návrh, čo je obsahom škatuľky (napr. hracia kocka, strúhadlo, loptička) Len v prípade jednej škatuľky piati žiaci (7%) neuviedli žiaden návrh, čo by mohlo byť obsahom škatuľky, ani neurobili žiaden záznam pozorovania. Záznamy dvoch žiakov boli rozporné: je to guľaté so záverom, že v škatuľke je kocka. U ôsmich žiakov záznamy v pracovných listoch naznačujú systematický prístup. Títo žiaci pri skúmaní každej škatuľky odpovedali na položené pomocné otázky (5-členná skupina + ďalší traja žiaci z rôznych skupín). Obr. 3. Realizácia aktivity Tajomné škatuľky na ZŠ Gbely V tabuľke 2 (Tab. 2) sú uvedené odpovede žiakov na otázku: Čo všetko ste robili, aby ste vyriešili úlohu, aby ste mohli usúdiť, čo je v jednotlivých škatuľkách? Z uvedeného je zrejmé, že žiaci

99 najväčší význam prisudzovali hrkaniu, či traseniu škatuľkou (88%) a počúvaniu zvukov, pri narážaní predmetu na steny škatuľky (76%). Približne tretina žiakov si uvedomila, že pre usudzovanie o obsahu škatuliek je dôležité škatuľky otáčať, prevracať. Len dvaja žiaci explicitne uviedli ako súčasť procesu usudzovania diskusiu s ostatnými členmi skupiny. Tab. 2 Žiacke odpovede na otázku: Čo všetko ste robili, aby ste vyriešili úlohu, aby ste mohli usúdiť, čo je v jednotlivých škatuľkách? Odpoveď Relatívny výskyt (N = 74) % Hrkanie, trasenie 88 Otáčanie, prevracanie 34 Posúvanie 11 Počúvanie 76 Rozmýšľanie 16 Zisťovanie veľkosti 15 Porovnávanie hmotnosti 12 Zisťovanie tvaru 10 Diskusia, spolupráca 3 Počas modelovania obsahu škatuľky žiaci premyslene menili obsah testovacej škatuľky a po prvom zahrkaní pokračovali pomalým nakláňaním, pretáčaním. Porovnávali odozvy tajomnej a testovacej škatuľky na rovnaké podnety, nie však súčasným vykonávaním rovnakých úkonov, ale postupne - snažiac sa zopakovať rovnaké pohyby s oboma škatuľkami. V záverečnej diskusii žiaci uznali závery modelovania za presvedčivejšie ako závery z prvej časti skúmania tajomných škatuliek. Záver Vzdelávacia aktivita Tajomné škatuľky prispieva k naplneniu cieľov fyzikálneho vzdelávania najmä v oblasti chápania vedy a vedeckých postupov. Napomáha žiakom uvedomiť si poslanie prírodných vied ako ľudského atribútu na vysvetlenie reality nášho okolia. Výsledky experimentálneho overovania aktivity ukázali, že žiaci prijali úlohu ako výzvu. V priebehu jej riešenia prešla väčšina žiakov od náhodného k cielenému pozorovaniu odozvy systému na vstupné impulzy. Záznamy žiakov v pracovných listoch ukázali výrazný vplyv skupiny. Odpovede väčšiny žiakov boli zhodné s odpoveďami ostatných členov skupiny. Plánovaný je ďalší výskum zameraný na zistenie spôsobu argumentácie žiakov pri riešení úlohy ako žiaci diskutujú, aké argumenty používajú - a na zistenie vplyvu aktivity Tajomné škatuľky na rozvoj argumentačných schopností žiakov. Poďakovanie Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. LPP Literatúra [1] Amato, J.: Using the Black Box Approach to Enliven Introductory Physics Labs, Forum on Education, American Physical Society, 2010, pp 30-31, dostupné aj elektronicky

100 [2] Benchmarks for Science Literacy, Project 2061, dostupné on-line [citované ] [3] Brunsell, E.: How to teach Students to think like Scientists, [citované ] [4] Lederman, N.G. & Abd-El-Khalick, F. (1998). Avoiding de-natured science: Activities that promote understandings of the nature of science. In McComas,W. (Ed.), The nature of science in science education: Rationales and strategies (pp ). Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic. [5] Onderová, Ľ., Physics : black box? In:Science in School. - ISSN iss. 12 (2009), p , dostupné aj v slovenčine - online: [citované ] [6] Science museum ery_boxes.aspx [citované ] [7] Štátny vzdelávací program ISCED 2 príloha Fyzika, [citované ] [8] Teplanová, K., 2011: SCHOLA LUDUS virtual science centre: Building e-framework for new paradigm of teaching and learning. International Conference ICL 2011 (CD ROM). - Wien : IEEE, S ISBN , dostupné aj elektronicky: Adresa autora PaedDr. Viera Haverlíková, PhD. Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzita Komenského Mlynská dolina Bratislava vhaverlikova@fmph.uniba.sk

101 VIRTUÁLNE CENTRUM VEDY SCHOLA LUDUS ON-LINE Viera Haverlíková 1, Katarína Teplanová 2, Marián Zelenák 2 1 Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave 2 Centrum vedecko-technických informácií SR Abstrakt: V príspevku je predstavený projekt SCHOLA LUDUS on-line APVV LPP , ktorý je riešený v spolupráci Centra vedecko-technických informácií SR a Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK. Kľúčové slová: poznávanie, popularizácia, portál Úvod Cieľom projektu je vytvorenie profesionálnej virtuálnej platformy pre modernú popularizáciu vedy a portálu pre neformálne pro-vedecké vzdelávanie pre každého s osobitným zreteľom na žiakov a učiteľov základných a stredných škôl. Poznávacia koncepcia portálu je postavená na teórii učenia SCHOLA LUDUS s dôrazom na komplexné dynamické systémy, rozvoj zručností komplexného tvorivého myslenia a tvorivých poznávacích a komunikačných kompetencií učiacich sa. Aktivity projektu zahŕňajú softvérovú implementáciu popularizačnej a poznávacej koncepcie, tvorbu obsahu - naštartovanie portálových rubrík, tvorbu pilotných komplexných popularizačných prípadov postavených na kvalitnom videozázname reálnych procesov, pilotnú verejnú prevádzku portálu spojenú s intenzívnym testovaním účinnosti vytvorených programov s vybranými skupinami adresátov. Sprievodnými aktivitami projektu sú kognitívny a didaktický výskum a PR programy. Metodológia Sprístupňovanie vedeckého obsahu vychádza z Teórie pro-vedeckého učenia SCHOLA LUDUS (Teplanová, 2007). Využíva sa cyklus učenia - poznávanie je rozložené na sedem stupňov: akcia, opisovanie, mapovanie, modelovanie, abstrahovanie, osadzovanie a zhodnocovanie. Takéto rozčlenenie vzdelávacieho obsahu poskytuje používateľom nielen možnosť individuálneho tempa riešenia, ale aj individualizovanú hĺbku a rozsah poznávania. Na prechod do vyššie stupňa poznávania je potrebná interakcia - spätná väzba od používateľa portálu. Pripravené sú: automaticky vyhodnocované interakcie: výber z položiek, usporiadanie položiek do poradia, zadanie bodu v súradnicovej sústave. Tieto budú v prípade nesprávnej odpovede viesť k poskytnutiu jednoduchej alebo nelineárnej nápovede. manuálne vyhodnocované interakcie: zápis voľného textu, upload multimediálneho súboru. Tieto budú slúžiť predovšetkým na vlastnú rekapituláciu riešenia a samohodnotenie, tvorcovia vzdelávacieho obsahu portálu ich tiež budú používať pri tvorbe ďalších vzdelávacích prípadov, aj ako zdroj výskumných dát. Používatelia sa tiež budú môcť zapojiť do diskusií a ankiet. V duchu teórie pro-vedeckého učenia sú východiskom poznávania reálne javy, porovnávanie paralelných prípadov a tvorba modelov, reprezentácií. V každej etape poznávania sa veľký dôraz kladie na vizualizáciu a komplexitu v zmysle vedeckého prístupu. Pri výbere a spracovaní konkrétnych tém sa využíva mentálny konflikt a scaffolding. Používateľ si má uvedomovať proces poznávania. Vytvorený je priestor pre vkladanie a vylepšovanie vlastných myšlienok a obrázkov (schém, náčrtkov, fotografii z realizácie experimentov, vedeckých vtipov a pod.). Pri tvorbe hypotéz, ich porovnávaní, analýze a syntéze môže využívať rôzne nástroje tvorivého myslenia (napr. OKMH: Ohnisko Koncept Myšlienky - Hodnoty), ako aj automaticky

102 generovanú orientačnú tabuľku aktuálneho stavu riešenia, či vlastnú rekapituláciu riešenia a samohodnotenie. Vďaka uchovávaniu jednotlivých etáp a verzií riešenia budú môcť používatelia spätne sledovať zmeny svojho vlastného nazerania, konfrontovať svoje názory s myšlienkami iných a napokon aj s vedeckou interpretáciou. Ďalším z nástrojov umožňujúcim vlastné riadenie poznávacieho procesu používateľom sú pojmové mapy a lexikón. Adresáti portálu Portál je určený všetkým záujemcom o vedecké poznávanie so špeciálnymi nástrojmi pre školy. 1. Používateľ bez registrácie má prístup k základným informáciám o portáli, vzorovej ukážke čiernej skrinky, vzorovej ukážke komplexného prípadu, lexikónu (bez možnosti jeho úprav a individualizácie obsahu). 2. Registrovaný používateľ základný má možnosť individualizácie obsahu portálu. Ukladajú sa jeho interakcie, vytvára sa archív riešených čiernych skriniek a komplexných poznávacích prípadov, k dispozícii je možnosť vkladať do svojej individualizovanej verzie komentáre k heslám lexikónu, vytvárať si vlastné galérie obrázkov a pod. 3. Registrovaný používateľ žiak má okrem vyššie uvedeného navyše možnosť generovať si pdf výstupy vlastných riešení a bude dostávať cielené upozornenia (napríklad pri rozšírení a aktualizácii obsahu pre jeho kategóriu (stupeň školy), pri vyhlásení súťaže pre jeho kategóriu) a pod. V prípade zadania identifikačného kódu študijnej skupiny sú výstupy (riešenia) žiaka sprístupnené učiteľovi s rovnakým kódom. 4. Registrovaný používateľ učiteľ bude mať v porovnaní s registrovaným používateľom žiakom prístup k ďalším statickým stránkam (článkom, metodickým materiálom, doplňujúcim pracovným listom pre žiakov, komentárom tvorcov obsahu portálu); bude mať možnosť tlačiť pdf verzie zadaní čiernych skriniek a komplexných prípadov. Registrovaný učiteľ tiež získa prístup k registračným údajom a profilom žiakov, ktorí sa identifikovali kódom jeho študijnej skupiny a prístup k.pdf generovaným výstupom riešení svojich žiakov - do takéhoto výstupu bude môcť učiteľ externým program vpísať komentár a uložiť ho žiakovi ako upozornenie, ktoré sa žiakovi uloží do jeho individualizovaného obsahu (archívu). Pre učiteľov sa tiež pripravujú nástroje vytvárajúce automatické prehľady riešení všetkých svojich žiakov k danej úlohe, resp. všetky riešenia vybraného žiaka. 5. Výskumník, tvorca obsahu portálu má prístup k všetkým výstupom z riešení a všetkým databázam. Môže sledovať interakcie a dosahované výsledky v závislosti od jednotlivých parametrov (vek, študijné zameranie a pod.). Štruktúra portálu, rubriky V súčasnosti (máj 2012) je portál pripravený na pilotnú prevádzku testovanie funkčnosti jednotlivých originálnych formátov vytváraných pre portál. K dispozícii sú základné informácie: O nás o projekte, tvorcoch portálu a organizáciách, ktoré ho podporujú; O čom to tu je o práci s portálom a jeho posolstve, informácie o teórii učenia SCHOLA LUDUS a koncepcii portálu; Prvými testovanými formátmi sú Čierne skrinky a otvorený interaktívny Lexikón. Čierne skrinky Cieľom čiernych skriniek je vtiahnuť používateľa do hlbšieho poznávania jednej veci, pričom úlohou používateľa je odkryť vec skrytú v čiernej skrinke. (Spravidla ide o rekonštrukciu procesu, z ktorého v prvých častiach riešenia vidí používateľ len časť.) Pri riešení sa predpokladá, že používateľ využije už skôr nadobudnuté znalosti. Lexikón

103 Heslá neobsahujú klasický slovníkový výklad pojmu, ale okruh kľúčových pojmov zviazaných s heslom, ktoré si bude môcť používateľ zobraziť formou interaktívnych pojmových máp. Súčasťou hesla budú aj odvolávky na tie vedecko-popularizačné prípady, ktorými je ústredný pojem hesla priblížený. V druhej fáze pilotnej prevádzky pribudnú formáty: Komplexné poznávacie prípady Cieľom komplexných prípadov je poznávanie reality v jej komplexnosti, spojené so systematickým budovaním nových poznatkov. Na začiatku je provokácia mentálny konflikt, úlohou používateľa je postupne vec opísať, zmapovať, modelovať, abstrahovať podstatu, osadiť nadobudnuté vedomosti do existujúcich kognitívnych rámcov a zhodnotiť ich význam v novom prípade. Interaktívne výstavy Cieľom interaktívnych výstav je podporiť u používateľa uvedomenie si vlastných pro-vedeckých konceptov a vzťahov medzi nimi, pričom úlohou je identifikovať analógie a/alebo principiálne odlišnosti paralelných prípadov ( exponátov ), ktoré neboli na prvý pohľad zrejmé. Na nové zadania čiernej skrinky alebo komplexného poznávacieho prípadu sú používatelia upozornení cez rubriku Horúce pre každého. Rozpracované riešenia nájdu cez rubriku Tu som skončil, hotové riešenia nájdu v individualizovanom obsahu vlastného archívu. Upozornenia na ďalšie popularizačné a vzdelávacie programy a súťaže používateľ nájde cez rubriku Čo môžem iné. S postupným rozširovaním obsahu portálu bude pridaná funkcia Mapa tém. Záver - pozvanie Pozývame všetkých záujemcov na stránku kde nájdete aktuálnu verziu portálu. Jeho obsah, jednotlivé poznávacie prípady sú vám a vašim žiakom k dispozícii. Budeme radi, ak sa rozhodnete začleniť ich do vášho vyučovacieho procesu. Mimoriadne cenná bude vaša spätná väzba komentáre k vytvoreným poznávacím prípadom, vaše skúsenosti s ich riešením, podnety na ďalšie rozšírenie obsahu portálu. Len tak môžeme naplniť cieľ vytvoriť portál, ktorý vám bude nápomocný a bude reflektovať vaše potreby. Poďakovanie Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. LPP Literatúra [1] Teplanová, K Ako transformovať vzdelávanie: Stratégie a nástroje SCHOLA LUDUS na komplexné a tvorivé poznávanie a učenie, 1. Vyd. Bratislava : Metodicko-pedagogické centrum, s. ISBN Adresy autorov PaedDr. Viera Haverlíková, PhD. Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzita Komenského Mlynská dolina Bratislava vhaverlikova@fmph.uniba.sk RNDr. Katarína Teplanová, PhD. Centrum vedecko-technických informácií SR Lamačská cesta 8/A Bratislava kteplanova@nextra.sk Mgr. Marián Zelenák Centrum vedecko-technických informácií SR Lamačská cesta 8/A Bratislava mzelenak@gmail.com

104 VYUŽITIE VIDEOANALÝZY REÁLNYCH DEJOV VO VÝUČBE FYZIKY Peter Hockicko Katedra fyziky, Elektrotechnická fakulta, Žilinská Univerzita Abstrakt: Videoanalýza fyzikálnych dejov pomáha vyučujúcim prezentovať aj tie deje, ktoré v rámci edukačného procesu nie je vždy možné priamo demonštrovať. Na druhej strane napomáha študentom rozvíjať ich predstavivosť a zručnosti. V príspevku sú prezentované deje a videoanalýzy, ktoré je možné vo výuke použiť pre lepšie a názornejšie vysvetlenie fyzikálnych zákonov. Testy kontroly vedomostí u experimentálnej a kontrolnej skupiny ukázali štatisticky významný nárast vedomostí pri skupine, ktorá využívala videoanalýzu vo vyučovacom procese v porovnaní s kontrolnou skupinou, ktorá využívala štandardné metódy riešenia fyzikálnych úloh. Kľúčové slová: videoanalýza, rozvoj kľúčových kompetencií, IKT, program Tracker Úvod Jedna z možností, ako možno motivovať a aktivizovať študentov na technických vysokých školách k štúdiu fyziky a aplikovaniu poznatkov získaných pri štúdiu je využitie videoklipu a jeho následná analýza v programe napr. Coach, prípadne Tracker. Určovaním kvantitatívnych údajov o prebiehajúcom deji využitím matematickej analýzy je možné dopracovať sa k hľadaným fyzikálnym parametrom. Využitím videoanalýzy vo vyučovacom procese možno riešiť problémové úlohy s dobre definovaným problémom (DDP) na vyšších úrovniach podľa Bloomovej taxonómie poznávacích cieľov na úrovni analýza, syntéza alebo hodnotenie [1]. Využívaním multimédií vo výučbe možno docieliť lepšie pochopenie, zapamätanie si, špecifický transfer a aktivitu žiakov už v primárnom vzdelávaní [2]. Videoanalýza v programe Tracker Program Tracker [3] je voľne prístupný pre všetkých, okrem toho, že ho môžu využívať pedagógovia v škole, môžu ho využívať aj študenti v domácej príprave. Jeho ovládanie je nenáročné, zo skúseností možno povedať, že po krátkej hodinovej inštruktáži zvládnu študenti základné operácie a sú schopní urobiť jednoduché analýzy. Program ponúka analýzu časových závislosti polohy, rýchlosti, zrýchlenia, hybnosti a ďalších veličín (program má ich preddefinovaných 22) pričom je taktiež možné zadefinovať aj iné parametre (ako napr. silu, potenciálnu energiu a pod.) [4]. Pomocou funkcií slope a area je možné študentom ukázať grafický význam pojmov derivácia a integrál a vzájomné súvislosti niektorých fyzikálnych veličín, program taktiež ponúka možnosť modelovať priebeh daného deja za pomoci analytického modelu (zadanie rovníc pre výchylku v smere osi x a y) a dynamického modelu (zadanie rovníc pre silu F x, F y ) [5]. Videoanalýzou v programe Tracker možno u študentov rozvíjať ich kompetencie, naučiť ich pracovať s grafmi, analyzovať grafy, určovať hľadané fyzikálne parametre, aplikovať vzťahy medzi fyzikálnymi veličinami, porozumieť a osvojiť si pojmy derivácia a integrál, popisovať ľubovoľné deje pomocou matematických funkcií. Videoanalýza vo vyučovacom procese V rámci riešenia projektu KEGA č ŽU-4/2010 sme vytvorili interaktívne DVD a webovú stránku [6], ktorá ponúka sadu videí vhodných pre fyzikálne analýzy. Jednou z úloh, ktorá robí študentom problémy, je úloha balistické kyvadlo : Do akej výšky sa vychýli balistické kyvadlo hmotnosti 10 kg, keď v ňom uviazne strela hmotnosti 100 g letiaca rýchlosťou 200 m/s? [7] (Ešte

105 zaujímavejšie je príklad riešiť tak, že zadáme, do akej výšky sa kyvadlo vychýli (napr. 0,2m) a pýtame sa na počiatočnú rýchlosť, akou strela letí.) Pri riešení daného príkladu je možné využiť didaktickú metódu riešenia úloh, a to metódu pokusomyl. (Zvyčajne pri riešení takto zadaného príkladu, kedy sa pýtam na rýchlosť strely a je zadaná výška, do akej sa kyvadlo vychýli, sú prvé odpovede študentov: v = 2 m/s, 20 m/s, prípadne 0,2m/s.) Pre lepšie pochopenie a analýzu daného deja je možné použiť video, ktoré je k dispozícii na webe [6]. Obr. 1: Analýza pohybu plechovice po náraze strely vystrelenej z guľôčkovej pištole Vzhľadom k tomu, že daný dej je natoľko rýchly, že nie je možné zaznamenať polohu vystrelenej strely (video má 120 fps a vystrelenú guľôčku je možné zaznamenať len počas jedného záberu), je potrebné určovať rýchlosť strely z analýzy pohybu plechovice po náraze. Zvolením vhodných časových závislosti je možné určiť maximálnu výšku, do ktorej sa plechovica dostane a rýchlosť plechovice tesne po zrážke. Využitím vzťahov pre zákon zachovania mechanickej (ZZME) a celkovej energie sa študenti dopracujú k počiatočnej rýchlosti strely. Či však ZZME aplikovali správne, o tom sa môžu presvedčiť analýzou ďalšieho videa (obrázku), ktoré bolo zosnímané rýchlosťou 1000 fps (obr. 2). Vzhľadom k tomu, že daný záber trval t = 1/1000 s, z odhadu prejdenej dráhy guľôčky (biely pás) je možné vypočítať rýchlosť strely pred zrážkou a overiť tak, či predchádzajúci výsledok a analýza boli správne. V prípade, že sa vypočítané rýchlosti líšia o jeden až dva rády, je potrebné so študentami prediskutovať, kedy je možné použiť ZZME a kedy ho zase použiť nemôžeme, premenu

106 mechanickej energie na iné formy energie, problém trecích a odporových síl. Následnými korekciami úvah sa dá dopracovať k dobrej zhode výsledkov z oboch videí (obr. 2). Obr. 2: Zadania úloh k videoanalýze dejov [6] Ďalším zaujímavým problémom, ktorý možno podrobiť videoanalýze je pád voľne pustených loptičiek. Budú približne rovnako veľké loptičky padať vždy rovnako? Odpoveď na túto otázku dá analýza jedného z videí. Obr. 3: Analýza pádu približne rovnako veľkých guľôčok avšak nerovnakých hmotností Na obr. 3 je znázornený voľný pád súčasne pustených loptičiek (gumená (ball_1) a pingpongová (ball_2)), záznam ich polohy (posledných 15 polôh) a modelovanie polôh loptičiek využitím dynamického modelu s rôzne zadefinovanými odporovými silami (viskózny model s využitím Stokesovho vzorca pre modelovanie pohybu gumenej loptičky a odporový (drag) model využívajúci

107 odporovú aerodynamickú silu pre modelovanie pohybu pingpongovej loptičky). (Počiatočné parametre x a v x pri viskóznom modeli sú nastavené pre lepšie znázornenie a porovnanie s pohybom gumenej guľôčky.) Zmenou parametrov vo vzťahoch pre odporové sily je možné skúmať, ako jednotlivé parametre vplývajú na výsledný pohyb guľôčok. Obr. 4: Videopríklady zamerané na analýzu valivého pohybu na naklonenej rovine [8] Obr. 5: Analýza valivého pohybu pre kovovú a gumenú loptu

108 Využitím videoanalýz možno formovať predstavy študentov, ktoré nie vždy sú správne. V úvode riešenia úloh znázornených na obr. 4 študenti odhadovali, ktorá z plných gúľ rôznych hmotností a polomerov bude mať na konci naklonenej roviny najvyššiu rýchlosť (prípadne, ktorá z gúľ sa bude pohybovať maximálnym zrýchlením). Z 34 študentov študujúcich na Stavebnej fakulte ŽU boli odhady nasledovné: 20 študentov (59%) odhadovalo, že najrýchlejšie sa bude pohybovať kovová guľa, 2 študenti (6%) predpokladali drevenú guľu, 1 študent (3%) uvažoval o gumenej guli, 8 študentov (24%) považovalo sklenú guľu za najrýchlejšiu, 3 študenti (8%) predpokladali, že všetky gule sa budú na konci naklonenej roviny pohybovať rovnako. Na tú istú otázku mali možnosť odpovedať aj študenti gymnázia (11), 8 (73%) predpokladalo, že najrýchlejšie zíde naklonenou rovinou drevená guľa, 3 (27%) predpokladali, že to bude gumená guľa. Následná analýza v programe Tracker poukázala na to, že počiatočné odhady väčšiny študentov neboli správne a rýchlosti plných gúľ na konci naklonenej roviny budú takmer rovnaké, pričom zrýchlenia nezávisia od hmotností a polomerov daných gúľ [9]. Analýza pretestov a post-testov Je možné využitím videoanalýzy dosiahnuť štatisticky významné zlepšenie v zručnostiach a vedomostiach študentov? Pre zodpovedanie tejto otázky bol použitý štandardizovaný vstupný a výstupný test [10], z ktorého bolo pre účely testovania vybraných 26 otázok týkajúcich sa obsahu preberaného učiva v rámci predmetu Fyzika na Stavebnej fakulte ŽU. Testovania sa zúčastnilo dohromady 5 skupín (3 skupiny tvorili experimentálnu skupinu (51 študentov) pracujúcich s využívaním videoanalýz, 2 skupiny (36 študentov), ktorí riešili úlohy štandardným spôsobom, tvorili kontrolnú skupinu.) Získané výsledky pretestov a post-testov pre experimentálnu a kontrolnú skupinu sú znázornené na obr. 6. Obr.6: Porovnanie výsledkov pretestov a post-testov pre experimentálnu a kontrolnú skupinu Sú dané výsledky štatisticky významné? Pre zodpovedanie danej otázky sme si stanovili počiatočnú hypotézu: H 0 : priemerná úspešnosť experimentálnej a kontrolnej skupiny je rovnaká: H 0 : µ 1 = µ 2 (verzus H 1 : µ 1 µ 2 ) (pričom rozdiel stredných hodnôt µ 1 - µ 2 dvoch normálnych rozdelení N(µ 1, σ 1 2 ) a N(µ 2, σ 2 2 ) post-testov pre experimentálnu a kontrolnú skupinu považujeme za rovnaký). Na overenie vyslovených hypotéz bol použitý test rozdielu aritmetických priemerov, pričom sme testovali na hladine významnosti α = 5% a predpokladali sme, že rozdiel stredných hodnôt µ 1 - µ

109 dvoch normálnych rozdelení N(µ 1, σ 1 2 ) a N(µ 2, σ 2 2 ) padne do 100 (1 α) % obojstranného intervalu spoľahlivosti. Na začiatku testovania bola zisťovaná zhoda medzi testovaným výberom a teoretickým rozdelením s predpokladom normálneho (Gauss) rozdelenia využitím jednovýberového neparametrického Kolmogorov-Smirnovho (K-S) testu, ktorá potvrdila normálnosť oboch rozdelení (kritické hodnoty pre K-S test normality na hladine významnosti α = 5% sú: D max,α (n 1 = 51) = 0.187, D max,α (n 2 = 36) = 0.221, hodnoty určené pre obe rozdelenia využitím programu Statistica [11] boli menšie D < D max,α (obr. 6). Skôr, ako bolo možné začať testovanie hypotézy H 0 : µ 1 = µ 2, bolo potrebné použiť F-test (Fisher-Snedecor test) rovnosti rozptylov dvoch normálnych populácií (H 0 : σ 1 2 = σ 2 2 verzus H 1: σ 1 2 σ 2 2 ). Po stanovení rovnosti (prípadne nerovnosti) rozptylov bol pre testovanie hypotézy H 0 : µ 1 = µ 2 použitý dvojparametrický Studentov t-test pre nerovnaké veľkosti skupín s rovnakými (prípadne rôznymi) rozptylmi [12]. Nasledujúca tabuľka získaná programom Excel ponúkla výsledné hodnoty: Variable 1 Variable 2 Mean Variance Observations df F F Critical two-tail (F < F 1-α/2 (50,35) or F α/2 (50,35) < F) ( , ) Pooled Variance Hypothesized Mean Difference 0.05 df 85 t Stat P(T<=t) one-tail t Critical one-tail (t > t 1-α (85)) P(T<=t) two-tail t Critical two-tail ( t > t 1-α/2 (85)) Tab.1: F-Test: dvojparametrický pre rozptyly a t-test: dvojparametrický s predpokladom rovností rozptylov Keďže vypočítaný parameter F spĺňa podmienku: F critical1-α/2 < F < F criticalα/2, predpokladaná hypotéza rovnosti rozptylov H 0 : σ 1 2 = σ 2 2 bola potvrdená. Keďže vypočítaný parameter t > t critical(two-tail) pre obojstranný interval spoľahlivosti, hypotéza H 0 : µ 1 = µ 2 bola zamietnutá a bola teda potvrdená hypotéza H 1 : µ 1 µ 2. Na základe toho sme zvolili novú hypotézu: H 0 : µ 1 > µ 2 (pre 100 (1-α) % ľavostranný interval spoľahlivosti pre rozdiel µ 1 - µ 2. Keďže t < t critical(one-tail), ), hypotéza H 0 : µ 1 > µ 2 bola potvrdená. Štatistické testovanie využitím t-testu potvrdilo štatisticky významný rozdiel vo vedomostiach experimentálnej a kontrolnej skupiny. Záver Analýza videosekvencií zobrazujúcich reálne deje napomáha študentom rozvíjať ich manuálne zručnosti a intelektuálne spôsobilosti, schopnosť pozorovať, analyzovať, hodnotiť a v neposlednom rade aj logicky uvažovať. Samostatná aktivita študentov napomáha rozvoju ich kľúčových kompetencií, t.j. prírodovednej, matematickej a informačnej gramotnosti, riešeniu problémov,

110 kritickému a tvorivému mysleniu prostredníctvom moderných informačno-komunikačných technológií (IKT). Bol potvrdený štatisticky významný rozdiel v získaných vedomostiach študentov, ktorí využívali videoanalýzu a tými, ktorí využívali štandardné metódy riešenia príkladov. Poďakovanie Táto práca bola podporovaná Slovenskou grantovou agentúrou KEGA na základe zmluvy č. 002KU- 4/2011 a 035ŽU-4/2012. Literatúra [1] HOCKICKO, P Nontraditional Approach to Studying Science and Technology, In: Communications, Volume 12, No. 3, ISSN Dostupné na < [2] STEBILA, J Research and Prediction of the Application of Multimedia Teaching Aid in Teaching Technical Education on the 2nd Level of Primary Schools, In: Informatics in Education, Vol. 10, No. 1, ISSN , dostupné na: < [3] program Tracker dostupný na< [4] HOCKICKO, P Rozvoj manuálnych zručností a intelektuálnych spôsobilostí študentov použitím videoanalýzy pohybov. Zborník príspevkov z konferencie Tvorivý učiteľ fyziky IV Národný festival fyziky 2011, Kongresové centrum SAV Smolenice, vydala Slovenská fyzikálna spoločnosť, Bratislava, 85-91, ISBN [5] HOCKICKO, P Forming of Physical Knowledge in Engineering Education with the Aim to Make Physics More Attractive. Proceedings of international conference Physics Teaching in Engineering Education PTEE 2011, Mannheim, Germany, ISBN [6] HOCKICKO, P. KÚDELČÍK, J. JAMNICKÝ, I Základy fyziky elektronický materiál k videoanalýze fyzikálnych dejov. Žilina: Žilinská univerzita, ISBN dostupné na: < uniza.sk/sk/zaklady> [7] HAJKO, V. a kol Fyzika v príkladoch. Bratislava, ALFA 1988, 6. vydanie, 592 s. [8] videopríklady < [9] KÚDELČÍK, J. - HOCKICKO, P Základy fyziky. Žilina: Žilinská univerzita v Žiline, EDIS, 272 s. ISBN [10] KRIŠŤÁK, Ľ. - NĚMEC, M Inovácia fyzikálneho vzdelávania na technickej univerzite vo Zvolene, Zvolen: Vydavateľstvo TU, 160 s. ISBN [11] program STATISTICA (trial version), StatSoft, Inc. (2011): [12] MARKECHOVÁ, D. STEHLÍKOVÁ, B. TIRPÁKOVÁ, A Štatistické metódy a ich aplikácie. Nitra: Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre, 534s. ISBN Adresa autora PaedDr. Peter Hockicko, PhD. Katedra fyziky, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita Univerzitná 8215/ Žilina hockicko@fyzika.uniza.sk

111 FYZIKÁLNE HRY, HRAČKY A JEDNODUCHÉ POKUSY NA PREDNÁŠKOVO-EXPERIMENTÁLNYCH TURNÉ Oľga Holá Ústav fyzikálnej chémie a chemickej fyziky FCHPT STU Bratislava Abstrakt: V rámci riešenia projektu APVV LPP Fyzika a chémia v našom živote dnes a zajtra uskutočňujeme prednáškovo-experimentálne výjazdy na stredné školy. V súčasnosti máme rozpracovaných 16 tém. Naše prezentácie pozostávajú vždy z prednášok, videofilmov a videoklipov, prípadne appletov, ide teda o využitie IKT multimédií, ale pokiaľ daná téma dovoľuje, používame aj rôzne demonštračné pomôcky, hračky a v niektorých témach experimenty. Práve tieto názorné demo-pomôcky oživujú celú prezentáciu a umožňujú študentom vidieť aj za bežnými javmi v pozadí fyziku, resp. chémiu. Kľúčové slová: fyzikálne hry, hračky, pokusy, demonštrácie, videofilmy Úvod Človek je už od narodenia tvor zvedavý a rád sa hrá. Hra je prvá tvorivá činnosť človeka a hračka je nástroj tejto činnosti. Kto by nepoznal otázky našich detí prečo niečo funguje alebo naopak nefunguje, ako niečo zostrojiť, kedy dochádza k nejakému javu a podobne. Už v období rímskej ríše vzniklo príslovie dajte ľuďom chlieb a hry - to je to čo ľudstvo potrebuje k spokojnosti a šťastiu. Hračky môžu byť klasické, ktoré nájdeme v našich domácnostiach a domácnostiach našich rodičov, či prarodičov, alebo v rôznych herniach a múzeách (URL: Ďalej sú to hračky súčasnosti, ktoré sú dostať bežne kúpiť v obchodoch, ale aj špeciálne moderné hračky v špecializovaných obchodoch (URL: ktoré využívajú najmodernejšie poznatky vedy a techniky. Všetky druhy hračiek môžu vzbudiť záujem detí i študentov a sú preto vhodné aj ako demonštračné učebné pomôcky. Na mnohých konferenciách (Veletrh nápadů, Science on Stage, Tvorivý učiteľ) sa k otázke vhodnosti hračiek v učebnom procese už veľakrát diskutovalo. V našom príspevku chceme zvýrazniť prínos fyzikálnych hračiek, hier a zábavných pokusov v prednáškovo-experimentálnych výjazdoch, ktoré uskutočňujeme už druhý rok na stredné školy Slovenska. 1. Prednáškovo-experimentálne prezentácie Na ostatnom Festivale fyziky Tvorivý učiteľ IV v Smoleniciach sme podrobne referovali o našich prednáškovo-experimentálnych výjazdoch na stredné školy (Holá, O., 2011). Na základe skúseností z realizovaných výjazdov sme upravili počet tematických celkov, v súčasnosti ponúkame 16 tém, pričom jednotlivé témy sa líšia aj stupňom náročnosti, pretože ponúkame prezentácie pre všetky vekové hranice študentov stredných škôl. Zoznam ponúkaných tém je prílohou tohto príspevku. Každá prezentácia pozostáva z power-pointovej prednášky, priamo dopĺňanej jednoduchými pokusmi, kolovaním fyzikálnych hračiek, či iných názorných pomôcok. Každú prednášku kombinujeme s videofilmami prevažne našej produkcie, prípadne krátkymi videoklipmi z internetu. V druhej časti prezentácie majú študenti možnosť overiť si niektoré pokusy ako aj pohrať sa s fyzikálnymi hračkami. Neoddeliteľnou súčasťou našich prezentácií je aj súťaž, ktorá motivuje študentov, pomáha udržať ich pozornosť počas celej akcie a nám pomáha získať spätnú väzbu, nakoľko bola pre nich prednáška pochopiteľná. Odmeňovanie výhercov súťaže - i keď len symbolickými cenami - na konci prezentácie býva príjemným zakončením prezentácií

112 2. Fyzikálne hry, hračky a zábavné pokusy Vedeckú, či fyzikálnu hračku môžeme definovať nasledovne: Vedecká hračka je hračka, ktorá približuje, demonštruje alebo nápadne využíva prírodnú zákonitosť alebo jav a je určená na poznávaciu hru (URL: Zovšeobecnene môžeme povedať, že takmer každá hračka je vedeckou hračkou, pretože dokážeme nájsť zákony prírodných vied, na základe ktorých takáto hračka funguje. V zahraničí sú zriaďované mnohé detské múzeá, herne, i celé mestečká ( kde sa deti rôznych vekových skupín môžu hrať s klasickými ale aj s najmodernejšími hračkami. Dokonca aj klasické prehliadky hradov sú prispôsobené detským návštevníkom vyčlenením priestorov pre rôzne interaktívne hry. Na Slovensku vzniklo už v r občianske združenie Vedecká hračka ( ktoré sa zaoberá veľmi záslužnou činnosťou usporiadaním putovných výstav hračiek a táborov tvorivosti pre deti. Našim cieľom však nie je ani tvorba a ani ukážka všetkých fyzikálnych hračiek, ktoré sú v súčasnosti komerčne dostupné. My sa snažíme využiť konkrétnu fyzikálnu hračku jednak na vysvetlenie určitého fyzikálneho javu počas našej prezentácie, ako aj na celkové oživenie prednášky a vzbudenie záujmu. Naviac prostredníctvom našich videofilmov sa snažíme poukázať na podobné javy a fyzikálne zákonitosti, ktoré demonštrujeme hračkou, aj v našom svete okolo nás. Predpokladáme, že takýmto viacdimenzionálnym prístupom k jednotlivým fyzikálnym témam sa nám darí zaujať aj netechnicky orientovaných študentov a prekonávať ich odpor k prírodovede. V súčasnosti sa naša mládež poväčšine zabáva, či hrá už len vo virtuálnom svete počítačov, a mnohí z nich už klasické hračky ani nepoznajú. Pritom práve pohranie sa s reálnou hračkou poskytuje lepšie pochopenie a odpovede na otázky, prečo a ako to funguje. Často v jednej činnosti, či hračke, nájdeme uplatnenie celého súboru fyzikálnych zákonitostí. Na základe našich skúseností sme natočili a spracovali videofilm: Fyzikálne hry, hračky a jednoduché pokusy, ktorý je súčasťou tejto prezentácie. Vo filme sa vraciame do obdobia detstva, do obdobia hier a hračiek a najmä kladieme otázky, aké fyzikálne princípy tieto hračky využívajú. Uveďme zo scenára filmu otázky, ktoré sú aktuálne k jednotlivým fyzikálnym témam. Pri prezentácii týchto tém pri našich prednáškovo-experimentálnych výjazdoch sa potom vraciame k zodpovedaniu týchto otázok. 1. Pohyb: Pozorujme pohyb človeka od prvých krôčikov, pohyb na šmykľavke, na bicykli, na lyžiach, či korčuliach, alebo za pomoci detských odrážadiel, autíčok, vláčikov. Obr. 1 Hračky k demonštrácii pohybu

113 Pohyb od kolotočov až po rakety čo všetko sa dá vysvetliť na týchto príkladoch (obr.1, obr.2) od pojmov sila, trecia a odstredivá sila, pohybová rovnica, podmienky rovnováhy až po zákony zachovania energie, hybnosti a momentu hybnosti. Obr. 2 Hračky k demonštrácii pohybu 2. Kmity a vlnenie: Viete na akom princípe funguje Newtonova hojdačka (obr.3), spriahnuté kyvadlá, kedy vzniká stojaté vlnenie? Obr. 3 Hračky k demonštrácii kmitov a vĺn, zrážok 3. Vrhy: Hráte niektorú z loptových hier napríklad futbal, basketbal, volejbal alebo aj také hry ako sú tenis či stolný tenis? A viete, že vo všetkých prípadoch ide o šikmý vrh? 4. Ťažisko, momenty zotrvačnosti: Prečo lyžica nespadne? Aký typ pohybu vykonáva detská hračka vĺčik? Prečo valce rovnakej hmotnosti súčasne pustené po naklonenej rovine nedorazia do cieľa súčasne? A, mimochodom, viete prečo sa dieťa skôr naučí chodiť ako stáť? 5. Elektrina a magnetizmus: Iste poznáte nepríjemné kopnutie v dôsledku statickej elektriny napríklad pri obliekaní pulóvra z umelovláknovej tkaniny. A prečo sa zelektrovanému človeku ježia vlasy?

114 Reagujú živočíchy na magnetické pole? Aká je podstata magnetofónovej pásky? Vedeli by ste si pomocou ihly zhotoviť kompas? Čo je to levitácia a kedy nastane (obr.4)? Obr. 4 Hračky k demonštrácii magnetizmu 6. Tekutiny: Poznáte oscilujúce hrozienka? Myslíte, že sa podarí vsunúť vajíčko do úzkeho hrdla fľaše (obr.5)? A prečo nás priťahuje k sebe rýchloidúci vlak, ak stojíme na okraji nástupišťa? Obr.5 Pomôcky k pokusom s tekutinami 7. Svetelné zdroje a svetelné javy: Viete, aký je podstatný rozdiel medzi žiarovkou a tzv. úspornou žiarovkou? Poznáte svietiace trubičky, optické káble, ledky a videli ste už laserovú show (obr.6)?

115 Obr.6 Rôzne svetelné zdroje Vyskúšajte si svoje oči, ale pozor, naše oči nás dokážu aj klamať! Niekedy vidíme aj to, čo v skutočnosti na danom mieste nie je a naopak nevidíme to, čo tam je (obr.7). Obr.7 Optické klamy 8. Rádioaktivita: A čo tak odmerať si rádioaktivitu vlastného tela a nášho okolia (obr.8)? A prečo je radón tak nebezpečný, veď ide o inertný plyn! Obr.8 Demo ukážky k rádioaktivite

116 Okrem fyzikálnych hračiek, ktoré majú žiaci a študenti priamo k dispozícii počas našich prezentácií, s mnohými ďalšími hrami, hračkami a zábavnými pokusmi sa oboznámia prostredníctvom našich videofilmov, ktoré sú súčasťou našich prednáškovo-experimentálnych prezentácií. Máme ich pripravené ku každej ponúkanej téme (viď príloha). Spoločným mottom týchto videofilmov je: Video zo sveta fyziky, fyzika okolo nás (Holá, O., 2007) a poskytujú študentovi nielen suchú informáciu o fyzikálnych zákonoch, ale navodzujeme aj zábavné, zaujímavé a niekedy i humorné situácie. Záver Postupne sme uskutočnili od konca kalendárneho roku 2010 do apríla 2012 celkove 70 prednáškovo-experimentálnych prezentácií, (z toho v r , v r a v r ). Okrem niekoľkých bratislavských škôl sme s naším programom navštívili nasledovné mestá na Slovensku: Prievidza, Komárno, Krompachy, Košice, Púchov, Slovenská Ľupča, Liptovský Mikuláš, Nová Baňa, Žiar nad Hronom. Viaceré z týchto gymnázií sme už navštívili druhýkrát, pretože na základe nášho vystúpenia požiadali o ďalšie prednášky. Z reakcií ako učiteľov, tak najmä študentov je vidieť, že naša myšlienka viacdimenzionálneho pôsobenia (prednáška, videofilm, demo pokusy, fyzikálne hračky), ako aj spájanie známych poznatkov, ktoré preberajú v škole s technickými a vedeckými novinkami v danej oblasti a poukázanie na súvislosti s javmi v prírode je vhodná nielen na vzbudenie pozornosti, prekonanie averzii k prírodným vedám, ale je aj inšpiráciou pre študentov nájsť si ďalšie zaujímavosti k danej téme. Poďakovanie Táto práca je podporovaná Agentúrou APVV na základe zmluvy č.lpp Literatúra [1] HOLÁ, O. 2007: Video zo sveta fyziky, fyzika okolo nás. In Sborník příspěvku elearning 2007, Hradec Králové. Gaudeamus Univerzita Hradec Králové, J. Sedláček (Ed.) 2007, [CD ROM], pp.81-84, ISBN [2] HOLÁ, O Poznatky z výjazdových fyzikálno-chemických prezentácií. In: Zborník konferencie Tvorivý učiteľ fyziky IV, Smolenice Košice: SFS, s ISBN Dostupné na: < [3] URL: < > [cit ]. [4] URL: < [cit ]. [5] URL: < [cit ]. [6] URL: < [cit ]. [7] Veletrh nápadů pro fyzikální vzděláváni 1-16 ( ), dostupné na < Adresa autora Doc. RNDr. Oľga Holá, PhD. Ústav fyzikálnej chémie a chemickej fyziky FCHPT STU Radlinského Bratislava olga.hola@stuba.sk

117 Príloha: Ponúkané témy výjazdových prezentácií pre stredné školy 1. téma Pohyby v prírode a príčina pohybov Prednáška: Čo je to pohyb a kedy vzniká, aké pohyby poznáme? Filmy: Pohybová rovnica; Vrhy; Zotrvačné sily Demonštrácie: pokusy na naklonenej rovine, vrhy strieľanie, bumerang 2. téma Zákony zachovania v prírode Prednáška: Ťažisko. Zákon zachovania energie, hybnosti, momentu hybnosti. Demonštrácie: pohyb telies rovnakej hmotnosti a tvaru s rôznym momentom zotrvačnosti po naklonenej rovine; pokusy s otočnou stoličkou a kolesom; zotrvačníky; balistické kyvadlo; klik-klak, Newtonova hojdačka 3. téma Kvapalina v pokoji a v pohybe Prednáška: Aplikácie Pascalovho, Archimedovho zákona. Bernoulliho rovnica v bežnom živote. Filmy: Hry s tekutinami; Bernoulliho rovnica Demonštrácie: Jednoduché pokusy s tekutinami 4. téma Svetlo - prírodné a umelé zdroje svetla Prednáška: Zdroje svetla a ich spektrálne zloženie Demonštrácie: ukážky zdrojov svetla žiarovky, halogénky, žiarivky, chemické zdroje svetla, plazmová guľa, let-ky, laser Film: Naše Slnko 5. téma Viete si vysvetliť svetelné javy okolo nás? Prednáška: Elektromagnetické vlnenie svetlo a základné zákony šírenia sa svetla. Film: Odraz a interferencia, Difrakcia na mriežke Demonštrácie: Lom, totálny odraz, difrakcia a rozklad svetla. Difraktografické album. Miracle a ďalšie optické klamy 6. téma Elektrické pole Prednáška: Elektrostatika a elektrický prúd Film: Elektrostatické pole Demonštrácie: van de Graffov generátor 7. téma Magnetické javy v prírode Prednáška: Magnetické pole Film: Magnetizmus Demonštrácia: Jednoduché pokusy s magnetmi. Levitácia. Magnetické hračky. Magnetické polia v okolí vodičov s pretekajúcim elektrickým prúdom. 8. téma Využitie silných magnetov Prednáška: Využitie silných magnetov MRI, cyklotróny, synchrotróny. Filmy: MRI, Protónový synchrotrón v Ružomberku 9. téma Rádioaktivita strašiak ľudstva alebo náš súpútnik Prednáška: Rádioaktivita okolo nás Filmy: Rádioaktivita, Ožarovňa Demonštrácie: Žiariče soli uránu, thória, olovené kryty, G-M počítače, kontinuálne meranie pozadia, ožiarené materiály 10. téma Jadrová energetika Prednáška: Jadrová energetika súčasnosť a budúcnosť Film: Utópia Demonštrácie: panoramatické fotografie z priestorov jadrovej elektrárne v Jaslovských Bohuniciach 11. téma Röntgenové žiarenie Prednáška: Vznik röntgenového žiarenia a jeho využitie Využitie vo vede: film Rtg difraktometer Využitie v medicíne: film Rtg v diagnostike Demonštrácie: ukážka röntgenovej lampy, osobné dozimetre 12. téma Moderné zobrazovacie techniky v medicíne Prednáška Poznáte princípy činnosti CT, MRI, ultrazvuku, PET ky Film: Moderné zobrazovacie techniky v rádiológii a v nukleárnej medicíne Demonštrácie: ukážka röntgenovej lampy, osobné dozimetre 13. téma Moderná fyzika a chémia v medicíne Prednáška: Nukleárna medicína, rádiofarmaká Film: Nukleárna medicína otvorené žiariče v diagnostike a terapii Demonštrácie: ukážka scintilačnej sondy, osobné dozimetre 14. téma Radiačná ochrana Prednáška: Ionizujúce žiarenie a radiačná ochrana Film: Radiačná ochrana v medicíne Demonštrácie: osobné dozimetre 15. téma Chemické reakcie známe neznáme Prednáška: Čo sú to chemické reakcie? Film: Chemické reakcie známe, neznáme? Demonštrácie: Príklady na reakcie s farebnými zmenami, oscilačné reakcie 16. téma Spôsoby izolácie aromatických látok Prednáška: Separačné techniky prírodných látok Demonštrácia základných separačných techník. Ukážky prírodných aróm a vonných látok

118 AKTIVIZOVANIE UČITEĽOV FYZIKY PRE AKTÍVNE ŽIACKE POZNÁVANIE MAGNETICKÉ POLE ZEME Peter Horváth Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave Abstrakt: V príspevku sa venujeme problematike žiackych experimentov a aktivít, konkrétne tendencie ich vynechávania zo strany učiteľov fyziky na základných a stredných školách. Poskytujeme námet na konkrétnu žiacku aktivitu, prostredníctvom ktorej môžu žiaci odmerať magnetickú indukciu magnetického poľa Zeme. Dôležité ale je, aby tieto a podobné aktivity realizovali so žiakmi učitelia na stredných a základných školách. V príspevku sa zaoberáme spôsobom, akým môžeme oboznamovať učiteľov s námetmi na aktivity tak, aby pre nich už potom bolo jednoduché takéto aktivity so žiakmi naozaj realizovať. Kľúčové slová: ďalšie vzdelávanie učiteľov, žiacke aktivity, žiacke experimenty, meranie, magnetické pole, elektromagnetická indukcia Úvod Text príspevku má byť štruktúrovaný do samostatných na seba nadväzujúcich celkov. V úvodnej časti je potrebné predstaviť východiská príspevku, motiváciu pre riešenie danej problematiky a poukázať na doteraz dosiahnuté výsledky. Motiváciou k našim aktivitám opísaným v príspevku boli naše skúsenosti so študentmi fyziky a učiteľstva fyziky. Z rozhovorov s nimi totiž vyplýva, že iba malá časť z nich, možno 20 percent, sa na stredných a základných školách stretla s primeraným množstvom pokusov, učiteľských demonštrácií a žiackych aktivít s pomôckami. Pritom dôležitosť realizácie experimentov vyplýva priamo z obsahu a metód práce v prírodných vedách, a najmä vo fyzike. Aj v štátnom vzdelávacom programe ( je dôraz kladený práve na žiacke empirické poznávanie, veď celá jedna oblasť je venovaná iba tejto činnosti. Ako jeden z príkladov by sme mohli uviesť pokus s karteziánčekom, ktorý naši vysokoškolskí študenti spoznávajú až na našich hodinách venovaných školským experimentom, pričom práve tento experiment je medzi didaktikmi fyziky považovaný za veľmi známy a jeden z kľúčových na rozvíjanie žiackych schopností aplikovať pojmy hustota a tlak. Keď zisťujeme príčiny, teda prečo učitelia nerealizujú so žiakmi experimenty, najčastejšie počúvame o absencii pomôcok a nedostatku času vzhľadom na množstvo naplánovaného učiva. Často sa pritom stretávame kladením dôrazu na obsah vzdelávania a menej na formu obsahu, od ktorej sa odvíja rozvoj žiackych schopností. Paradoxne práve prebiehajúca nepodarená reforma vzdelávania, ktorá fyziku obrala o polovicu, pre všetkých žiakov povinných, vyučovacích hodín, tento problém ešte prehĺbila. Mnohí učitelia v dôsledku menšieho počtu hodín vynechávajú práve experimentálnu činnosť žiakov. Problém identifikujeme v tom, že na reformu museli povinne pristúpiť všetci, bez ohľadu na svoje predchádzajúce výsledky práce a postoje k uvedeným zmenám. Pritom za vhodnejšie by sme považovali, keby reformné postupy boli najprv pilotne overené na školách, ktoré by mali záujem sa do týchto zmien zapojiť. V tejto súvislosti treba spomenúť aj absolútnu absenciu prípravy reformy, konkrétne prípravy učiteľov na nové ciele a nové metódy vyučovania, ktoré mala reforma priniesť. Absencia práce s učiteľmi má za následok, že aj dobre mienené myšlienky nie sú všeobecne prijaté a pochopené. Metodika práce s učiteľmi je pritom známa. S veľmi serióznou prácou so vzdelávaním učiteľov v praxi majú skúsenosť naši pražskí kolegovia, najmä prostredníctvom projektu Heuréka (Dvořáková 2009). Podobné viaceré aktivity v súčasnosti realizujú aj kolegovia na UPJŠ Košice (napríklad Onderová a kol. 2011), z pohľadu vysokého počtu zapojených učiteľov sú významné

119 prebiehajúce celoslovenské projekty Modernizácia vzdelávacieho procesu na ZŠ a Modernizácia vzdelávacieho procesu na SŠ. Na našom pracovisku organizujeme každoročné stretnutie učiteľov Šoltésove dni a významnejšou mierou sa zapájame do aktivít každoročnej celoslovenskej konferencie Vanovičove dni. Z predchádzajúcich období máme skúsenosť s prácou s učiteľmi fyziky aj z projektov ESF Fyzika okolo nás a Názorné vyučovanie fyziky s dôrazom na rozvoj kompetencií žiakov potrebných pre uplatnenie v praxi (Horváth 2006, Horváth 2007). Nedá nám v tejto súvislosti nespomenúť Metodicko pedagogické centrum, ktoré zvyklo v Bratislave organizovať Kluby učiteľov fyziky, žiaľ v súčasnosti v Bratislave podobné aktivity MPC nevyvíja. V rámci menovaných projektov a konferencií prebiehalo a prebieha vzdelávanie učiteľov s metodikou, ktorá môže mať významný dosah aj na obsah a formy práce učiteľa so žiakmi v škole. Hlavné prvky tejto metodiky sa snažíme opísať v nasledujúcich častiach príspevku. Skúsenosti s realizáciou vzdelávacích aktivít pre učiteľov fyziky S metodikou práce na odborných seminároch a konferenciách pre učiteľov fyziky, ktorú sa snažíme aplikovať a rozvíjať v našej práci, sa autor tohto príspevku zoznámil v projekte Heuréka (Dvořáková 2009). Autor mal možnosť absolvovať v pozícii účastníka sériu stretnutí, v projekte nazývanú učiteľská škôlka, kde sa mal možnosť oboznámiť s metodikou vyučovania fyziky základnej školy vypracovanou I. Dvořákovou. Podobným spôsobom sú realizované aj ostatné aktivity v projekte Heuréka, kde učiteľ po absolvovaní škôlky má možnosť zúčastňovať sa množstva pravidelných stretnutí organizovaných v rámci projektu Heuréka. Ide o veľmi efektívny spôsob práce s učiteľmi. Jednou z hlavných myšlienok je, že učiteľ si v pozícii žiaka presne prejde všetky kľúčové aktivity a všetky postupy, ktoré má potom realizovať so žiakmi. Na školení učitelia pracujú presne tak, ako by mali potom pracovať žiaci v triede, teda realizujú v pozícii žiaka všetky vyučovacie aktivity. Takýmto spôsobom majú možnosť zažiť a presvedčiť sa, že aktivity prezentované na školení je možné realizovať, ak ide o merania, oboznámia sa, k akým výsledkom meraní môžu žiaci dospieť. Nutnou podmienkou realizovateľnosti týchto aktivít, pre ktoré sa ujal názov tvorivá dielňa je obmedzený počet účastníkov pri realizácii dielne. Na konferenciách a seminároch pre učiteľov preto vždy pripravujeme viacero dielní paralelne, pričom tieto sa opakujú. Učitelia počas konferencie navštívia viacero dielní, nie vždy sa podarí program pripraviť tak, aby sa mohli všetci zúčastniť všetkých dielní, čo ale podľa nás je viac výhodou ako nevýhodou. Veľkou výhodou takejto práce je aktívne zapojenie sa každého z účastníkov. Práca v kvalitne pripravenej dielni býva pre účastníkov náročná, sú nútení aktívne pracovať, riešiť nastolené problémy a úlohy, aktívne realizovať aktivity. Ďalšou veľkou výhodou môže byť dostatočná časová dotácia na jednotlivé aktivity, ktorá umožní v dielni naozaj podrobne a poctivo z didaktického hľadiska rozobrať ciele, postupy, možné výsledky realizovaných postupov. Samozrejme, príprava takejto dielne býva časovo náročná a môže byť náročná aj na zhromaždenie a následnú prípravu dostatočného množstva, vhodných pomôcok. Aktivity by mali byť pripravené na kľúč, teda tak, aby ich učiteľ po absolvovaní dielne mohol bez väčších problémov, a bez nutnosti ďalšej časovo náročnejšej prípravy, realizovať so žiakmi v triede. Takisto ideálne je, ak účastník má možnosť z dielne odísť aj s opisom aktivít, ktoré boli na dielni realizované, vhodné je, ak na konci dostane v tlačenej alebo elektronickej podobe didaktický manuál k realizácii aktivít, ktorý obsahuje všetky potrebné informácie k realizovaným aktivitám. Pri samotnej práci v dielňach sa nám osvedčilo najmä využívanie jednoduchých, ľahko dostupných a cenovo nenáročných pomôcok. Ako príklad môžeme uviesť využitie digitálneho multimetra na meranie elektrických veličín. Niekedy sme totiž svedkami, že učitelia odôvodňujú absenciu žiackych meraní napätia a prúdu v elektrických obvodoch tým, že nemajú k dispozícii pomôcky. Najjednoduchší a pre žiakov najvhodnejší typ takéhoto multimetra je dostupný v cene okolo

120 eurá. Úplne najlepšie je, keď z realizovanej dielne odíde učiteľ aj s hmotnými pomôckami, na čo sme zvykli využívať dotácie z grantov. Čiastočný nedostatok týchto našich aktivít identifikujeme v tom, že sa ich zúčastňujú učitelia so záujmom o sebazdokonaľovanie sa, a na týchto seminároch a konferenciách (Vanovičove dni, Šoltésove dni) sa stretávame s viac-menej nemennou skupinou učiteľov (spolu okolo 150). Ďalším problémom je zaťaženie učiteľov v škole a najmä neochota niektorých riaditeľov škôl uvoľňovať učiteľov na odborné konferencie a semináre. Propagáciou našich aktivít sa snažíme, s čiastočným úspechom, prilákať nových účastníkov. Ukážka konkrétnej realizovanej aktivity Meranie magnetickej indukcie magnetického poľa Zeme Ako príklad aktivity, ktorá bola realizovaná s učiteľmi viac krát a o ktorej máme spätnú väzbu, že ju viacerí učitelia aj využívajú na svojich hodinách so žiakmi uvádzame žiacke meranie magnetickej indukcie MP Zeme. Námet na meranie pochádza od P. Demkanina (Demkanin 2006). Prvý krát bol tento metodický návod pripravený pre konferenciu Aktivity vo vyučovaní fyziky 2 v Lučenci v roku 2008, pričom účastníci odchádzali aj s materiálnym vybavením potrebným pre realizáciu opísaného merania. Námet na žiacku aktivitu bol publikovaný u nás a následne pre inú cieľovú skupinu učiteľov aj v Českej republike (Horváth 2007a, Horváth 2009). V nasledujúcej časti prinášame prepis časti týchto príspevkov, ako ukážku metodického návodu pre učiteľov fyziky. Princíp Na Zemi sa nachádzame v jej magnetickom poli, ktoré lokálne považujeme za homogénne. Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie tvrdí, že ak dôjde k časovej zmene magnetického indukčného toku Φ v závite, indukuje sa v ňom napätie U: ΔΦ U =, Δt Magnetický indukčný tok je na stredoškolskej úrovni uvádzaný ako súčin veľkosti magnetickej indukcie homogénneho magnetického poľa a plochy: Φ = BS. (Jednoduché vysvetlenie, čo je to magnetický indukčný tok by mohlo znieť: Je to počet indukčných čiar, ktoré pretínajú danú plochu závitu. V tomto modeli je slabšie magnetické pole reprezentované menšou hustotou indukčných čiar. Neznamená to ale, že pole je iba na miestach, kde kreslíme indukčné čiar. Ďalej, ak rovina závitu nie je kolmá na indukčné čiary, závit pretína menej indukčných čiar, ako keď je rovina závitu presne kolmá na indukčné čiary.) Faradayov zákon môžeme využiť na meranie magnetickej indukcie Zeme. Keďže magnetické pole našej planéty môžeme počas života človeka považovať za nemenné, môžeme napätie vyvolať pomocou zmeny plochy závitu alebo natočenia závitu. Keď roztočíme vodič v magnetickom poli Zeme, meníme počas točenia neustále plochu závitu, ktorou prechádzajú magnetické indukčné čiary. Tým meníme magnetický indukčný tok a v závite sa indukuje napätie. Milivoltmetrom môžeme odmerať veľkosť maximálneho indukovaného napätia a z tejto hodnoty dopočítať veľkosť magnetickej indukcie Zeme

121 mv Obr. 1: Spôsob zapojenia prístroja do obvodu, spôsob merania. Zadanie úlohy Aj túto úlohu je vhodné zadať ako problémovú. Žiaci môžu sami prísť na to, ako by odmerali magnetické pole Zeme, napríklad s využitím 30 metrov dlhého vodiča s loptou. Môžeme ich vyzvať, aby skúsili sami objaviť, akú pomôcku ešte by potrebovali (voltmeter). Ak už objavili metódu, môžu si v skupinách prediskutovať, ako by mali pri meraní stáť žiaci točiaci závit. Ak sme už predtým merali magnetické pole Zeme, napríklad pomocou cievky s magnetkou alebo tangentovou buzolou, môžeme vysloviť aj hypotézu, akú hodnotu veľkosti indukcie magnetického poľa Zeme očakávame. Z tejto hypotézy môžeme potom žiakov nechať určiť, aký by mal byť rozsah voltmetra. Vzorové riešenie Pri meraní budeme využívať Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie. Keďže magnetické pole Zeme sa nemení, za vznik indukovaného napätia je zodpovedná zmena plochy závitu. Veľkosť indukovaného napätia môžeme vyjadriť (mínus nepotrebujeme písať): B. ΔS U =. Δt Ak odmeriame maximálnu hodnotu napätia U M, môžeme vypočítať priemernú (efektívnu) hodnotu indukovaného napätia U ef : 2 U ef = U M 2 Točiaci sa závit má tvar trojuholníka s plochou S. Maximálna zmena plochy je 2S po úprave: T. Táto zmena sa udeje za polovicu periódy,. Potom platí: 2 B.2S Uef =, T 2 U. T B = 4S ef

122 S mv Obr. 2: Spôsob zapojenia prístroja do obvodu, smer otáčania závitu, zmena plochy. Ak máme žiakov alebo študentov matematicky trošku viac zručných a vedia jednoducho derivovať, môžeme vypočítať veľkosť magnetickej indukcie inak. Okamžitá hodnota napätia na roztočenom závite je: B. ds U =. dt Okamžitú hodnotu veľkosti plochy môžeme vyjadriť napríklad: S = S + S.sin( ω ), 0 t kde ω je uhlová rýchlosť: ω = 2π. T Potom: ds = S. ω.cos( ωt) dt a pre okamžitú hodnotu napätia vychádza: U = B. S. ω.cos( ωt). Ak odmeriame maximálnu hodnotu napätia a uvážime, že funkcia kosínus nadobúda maximálnu hodnotu rovnú číslu 1, môžeme písať: 2π U M = B. S., T z čoho môžeme vyjadriť veľkosť magnetickej indukcie Zeme B. U M. T B = S.2π Tento výpočet je vhodný na seminár vo štvrtom ročníku. Meranie uskutočníme na školskom dvore. Použijeme spomínaný vodič s loptičkou. Aby sme merali maximálne možné napätie, žiaci roztáčajúci vodič musia stáť vo východo-západnom smere. Do obvodu zapojíme milivoltmeter. Roztočíme závit. Odmeriame maximálne napätie U M pri (rovnomernom) otáčaní a stopkami periódu otáčania závitu. Pri dostatočnom zaťažení má točiaci sa závit približne tvar trojuholníka. Odmeriame preponu a výšku trojuholníka, ktorý sa točil, dopočítame jeho obsah S. Takto máme pripravené všetky potrebné hodnoty na určenie veľkosti magnetickej indukcie Zeme

123 Obr. 3: Meranie magnetickej indukcie točením závitu Ako už bolo spomenuté, veľkosť horizontálnej zložky magnetického poľa Zeme je T. Pri meraní pomocou točiaceho sa závitu obyčajne vychádza hodnota okolo T. Uvedomiť si treba, že touto metódou sme nemerali iba horizontálnu zložku, ale merali sme celkovú veľkosť magnetického poľa Zeme, ktorá je v našich zemepisných podmienkach naozaj približne T. Čiže vertikálna zložka magnetickej indukcie je u nás väčšia, ako horizontálna, o čom sa môžeme presvedčiť pomocou trojrozmernej magnetky (na obrázku). Môžeme žiakov upozorniť, že v Zemi je magnetické jej železné jadro. Obr. 4: Smer výslednej magnetickej indukcie MP Zeme nie je vodorovný Technické poznámky Ako záťaž sme použili tenisovú loptičku, ktorú sme prepichli a cez ňu prevliekli vodič. Treba si dať pozor, aby sme pri roztáčaní závitu nepoškodili merací prístroj. Žiaci, roztáčajúci závit, by mali pri meraní vodič na zemi prišliapnuť pre prípad, že sa im vyšmykne pri točení z ruky. Pri meraní maximálneho napätia sme používali viacero druhov voltmetrov. Prvý z nich, lacnejší školský (cena okolo 500 Sk), bol analógový s ručičkou. Ručička sa pri pohybe vodiča vychyľovala a za maximálne napätie sme považovali maximálnu výchylku ručičky. Tu sme mali obavy, či naše merania sú dostatočne presné, veď ručička cvičila pri každom otočení závitu. Nebolo presne jasné, či nemeriame menej ako maximálnu hodnotu napätia kvôli tomu, že ručička nestihne prísť k maximu, alebo viac kvôli zotrvačnosti ručičky. Preto sme si zadovážili presnejší digitálny multimeter (100 EUR), ktorým sme mali možnosť merať maximálnu hodnotu napätia. Merací prístroj si ju vedel zapamätať. Na naše milé prekvapenie sa ukázalo, že naše meranie školským analógovým prístrojom nebolo katastrofálne nepresné, vychádzali pri oboch meraniach podobné

124 hodnoty. Nakoniec sme na meranie použili lacný digitálny multimeter (približne 6 EUR). Pri meraní nám hodnoty preskakovali, pričom maximálna zaznamenaná nedosahovala hodnotu amplitúdy, rozdiel bol asi 10 percent, s čím treba počítať pri vyhodnocovaní merania. Záver V príspevku sme sa snažili poukázať na absenciu realizácie žiackych experimentov na základných a stredných školách. Opisujeme metodiku, akou prebieha, podľa nášho názoru, efektívny spôsob ďalšieho vzdelávania učiteľov, za tým účelom, aby sa navrhované a prezentované aktivity naozaj dostali v čo najväčšej miere k tým, ktorým sú určené žiakom stredných a základných škôl. Metóda práce s učiteľmi (nazývaná aj metóda tvorivých dielní) je založená na modelovaní situácie v triede, keď účastníci seminárov a školení majú možnosť v úlohe žiakov prežiť jednotlivé vyučovacie fázy a postupy. Naše skúsenosti s realizovaním takýchto tvorivých dielní sú v zhode so skúsenosťami kolegov (Heuréka, UPJŠ Košice). Vhodne zvolená časová dotácia poskytuje dostatočný priestor na naozaj poctivé prezentovanie a vysvetlenie každej časti aktivity. Priama realizácia s konkrétnymi pomôckami, často pomôckami ľahko dostupnými, potvrdzuje účastníkom vzdelávania, že aktivita je realizovateľná so žiakmi v triede za veľmi podobných, často takmer identických podmienok, ako na dielni. Tým sa snažíme zabezpečiť, aby učitelia boli schopní a ochotní, bez nutnosti ďalšej časovo náročnej prípravy, prezentované aktivity v školách so žiakmi realizovať. Náš prínos k riešeniu problematiky realizácie žiackych aktivít a experimentov vidíme najmä v rozvoji metodiky práce s učiteľmi a ďalej v organizovaní a spoluorganizovaní seminárov a konferencií pre učiteľov základných a stredných škôl. Na tieto konferencie a semináre pripravujeme a následne s učiteľmi realizujeme tvorivé dielne na najrôznejšie témy zo školskej fyziky. Pri obsahovom napĺňaní programu seminárov s vďakou využívame pomoc kolegov z iných pracovísk (J. Beňuška, V. Piskač, P. Žilavý, V. Karászová a iní). Vzhľadom na pozitívne skúsenosti s uvedenou formou realizácie ďalšieho vzdelávania učiteľov sa mienime na našom pracovisku aj v budúcnosti venovať učiteľom v praxi práve takýmto spôsobom, teda budeme sa snažiť pripravovať ďalšie aktivity na kľúč, tak, aby ich učitelia boli schopní a ochotní vo vyučovaní replikovať, prípadne tvorivo rozvíjať. Mienime pokračovať najmä v organizovaní tradičných podujatí, ako Šoltésove dni a spolupodieľať sa na seminároch Vanovičove dni a Murgašove dni. Na realizovanie podobných aktivít máme akreditovaných niekoľko programov kontinuálneho vzdelávania učiteľov, ktoré zatiaľ neprebiehajú z dôvodov absencie financií na ich realizáciu. V prípade, že by sa nám podarilo nájsť, napríklad formou grantu, prostriedky na realizáciu kontinuálneho vzdelávania už akreditovaných programov, sme pripravení tieto programy realizovať bez nutnosti finančného krytia zo strany učiteľov. Poďakovanie Príspevok je súčasťou riešenia grantovej úlohy Agentúry na podporu výskumu a vývoja (APVV), č. LPP Prírodné vedy v školských vzdelávacích programoch. Literatúra [1] DEMKANIN, P. a kol. 2006: Počítačom podporované prírodovedné laboratórium. Bratislava : FMFI UK, ISBN , str. 28. [2] DVOŘÁKOVÁ, I Jak učíme učitele fyziky (v projektu Heuréka) [online], [3] [citované 6. jún 2012]. Dostupné na: < [4] HORVÁTH, P. (ed.) 2006: Zborník príspevkov Aktivity vo vyučovaní fyziky, Smrekovica, Bratislava : Knižničné a edičné centrum FMFI UK, [5] HORVÁTH, P. (ed.) 2007: Zborník príspevkov Šoltésove dni 2006, Bratislava, Bratislava : Knižničné a edičné centrum FMFI UK,

125 [6] HORVÁTH, P. 2007a: Meranie indukcie magnetického poľa Zeme. In: Inovatívne metódy vo výučbe fyziky na strednej škole. Bratislava: Metodicko-pedagogické centrum Bratislavského kraja v Bratislave, 2007, s ISBN [7] HORVÁTH, P. 2009: Meranie magnetického poľa Zeme. In: DVOŘÁK, L. (ed.): Dílny Heuréky , Sborník konferencí projektu Heuréka. Praha: Prometheus, 2009, s ISBN [8] ONDEROVÁ, Ľ. JEŠKOVÁ, Z. KIREŠ, M. HANČ,J. DEGRO, J Nebojte sa fyziky alebo interaktívne aktivity z fyziky pre žiakov základných škôl. In: Ondruška, J. (ed.): Aktuálne problémy fyzikálneho vzdelávania v európskom priestore, Zborník príspevkov CD. Nitra: Pobočka JSMF v Nitre, Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre, ISBN [9] Štátny vzdelávací program Fyzika Príloha ISCED 3A. [online], [citované 11. jún 2012]. Dostupné na: < fyzika_isced3.pdf> Adresa autora PaedDr. Peter Horváth, PhD. Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky Fakulta matematiky fyziky a informatiky Univerzity Komenského Mlynská dolina F1, Bratislava 4 horvath@fmph.uniba.sk

126 VÝSLEDKY PILOTNÉHO TESTOVANIA ARGUMENTÁCIE V KONTEXTE VYUŽÍVANIA ENERGIE Jana Horváthová Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave Abstrakt: V príspevku sú zhrnuté výsledky pilotného testovania argumentácie (zdôvodňovania) žiakov druhého ročníka gymnázia. Žiaci sa písomne vyjadrovali k otázkam a tvrdeniam týkajúcim sa problematiky využívania energie (význam výskumu v oblasti energie, bezpečnosť elektrární). V úvode príspevku je stručne uvedený význam argumentácie v prírodovednom poznávaní podopretý výsledkami zahraničných výskumov. Kľúčové slová: argumentácia, testovanie, energia Argumentácia Argumentácia je forma komunikácie, pri ktorej sa objasňujú, zdôvodňujú postoje, názory, konkrétne činy a pod. (Nagy, Nagyová, Likavský, 2010, s. 27) Argumentáciou rozumieme proces, v ktorom ľudia používajú rozum, aby mohli medzi sebou sprostredkovať tvrdenia. Zameriava sa na rozum, lebo tým sa odlišuje od iných rétorických postupov. Keď ľudia argumentujú, nevyslovujú len tvrdenia, ale aj dôvody, prečo si myslia, že sú priechodné alebo nie. (Trapp, Zompetti, Motiejunaite, Driscoll, 2005, s. 11) Náročný proces hodnotenia a odôvodňovania / verifikácie vedeckých poznatkov sa nazýva argumentácia. (Duschl, Ellenbogen, Erduran, 1999, citovaný podľa Naylor, Keogh, Downing, 2007, s. 17) Argumentácia v škole a prírodovednom poznávaní Za posledných niekoľko desiatok rokov sa mnoho štúdií zameralo na analýzu argumentácie vo vzdelávacom kontexte (napr. Driver, Newton, Osborne, 2000; Duschl, Ellenbogen, Erduran, 1999, Jim'enez-Aleixandre, Rodr'ıguez, a Duschl, 2000, Kelly a Takao, 2002). Tieto štúdie upozornili na dôležitosť argumentácie v získavaní vedeckých poznatkov (Schwarz et al., 2003) a vývoj myšlienkových vedeckých návykov (Kuhn, 1992). Veda totiž častejšie postupuje prostredníctvom sporu, konfliktu a argumentácie, než prostredníctvom všeobecnej dohody. Preto sú argumenty, týkajúce sa vhodnosti experimentálneho návrhu, interpretácie dôkazov a platnosti znalostných tvrdení, jadrom vedy. Sú rozhodujúce pre každodenný rozhovor vedcov. Úzky vzťah medzi argumentáciou a vedou naznačuje, že argumentácia by sa mala stať dôležitou súčasťou prírodovedného vzdelávania. Argumentačné schopnosti nie sú len predpokladom vedeckej činnosti, ale sú tiež nevyhnutné ku kritickému mysleniu (Kuhn, 2005) a rozvoju schopnosti študentov vhodne sa zapojiť do zložitých rozhodovaní, napr. v kontexte spoločenských otázok (Böttcher, Meisert, 2011, s. 104). Willington, Osborn (2001, citovaný podľa Naylor, Keogh, Downing, 2007, s. 17) naznačujú, že učiť sa vo vede, znamená, učiť sa konštruktívne argumentovať postaviť také argumenty, ktoré sú založené na dôkazoch a teóriách.v tomto zmysle by učenie nemalo byť založené len na získavaní faktov o svete, ale malo by dávať aj obraz praktického významu vedy v spoločnosti. Jiminez-Aleixandre a Erduran (2008, s. 5) sumarizujú výsledky výskumov argumentácie v procese vyučovania. Argumentácia podporuje: rast kognitívnych a metakognitívnych procesov, ktoré charakterizujú odborný výkon a umožňujú študentom modelovať,

127 rozvoj komunikačných kompetencií a najmä kritického myslenia, dosiahnutie vedeckej gramotnosti a posilnenie schopnosti študentov hovoriť a písať jazykom vedy, nadobúdanie hodnôt a správania v súlade s požiadavkami kultúry, ktorou je žiak obklopený, ich začlenenie do postupov (praxe) vedeckej kultúry a rozvoja poznávacích kritérií pre hodnotenie vedomostí. Pod pojmom argumentácia v prírodovednom poznávaní budeme chápať proces zdôvodňovania a overovania platnosti tvrdení. Argumentácia podporuje rozvoj komunikačných zručností a získavanie vedomostí z prírodovednej oblasti. Tvrdenie je určitá informácia, ktorú človek kriticky rozoberá z hľadiska jej pravdivosti. Argument sa bežne chápe ako dôvod, prečo tvrdíme, že určité tvrdenie je platné alebo neplatné. Argumenty možno deliť na faktické, logické a emocionálne (Kratochvílová a kol., 2007, s. 59). Pilotné testovanie argumentácie v kontexte témy energia Pilotné testovanie prebehlo v náväznosti na diskusnú hru Energia pre budúcnosť, ktorá bola sprievodným programom výstavy FUSION EXPO, Fúzia energia budúcnosti (Haverlíková, 2011). Do testovania bolo zapojených 150 žiakov druhého ročníka štvorročného gymnázia (39 žiakov Gymnázia Dolný Kubín, 78 žiakov Gymnázia Modra, 34 žiakov Gymnázia Nedbalova Bratislava). Cieľovej skupine bol pred a po skončení sprievodného programu zadaný dotazník, ktorý obsahoval faktické otázky a tvrdenia, ku ktorým sa žiaci vyjadrovali. Žiaci odpovede tvorili voľne. Dotazníkom bol sledovaný: - dopad výstavy na žiakov faktické informácie (Horváthová, 2011), - postoje, názory a tvrdenia žiakov v kontexte využívania energie, - zdôvodňovanie niektorých postojov a tvrdení v kontexte využívania energie. Z pohľadu definície argumentácie uvedenej vyššie sme sa v pilotnom testovaní obmedzili len na zložku zdôvodňovania tvrdení, pričom sme sa snažili o rozlíšenie, či sú tvrdenia podporované faktami, logikou alebo emocionálne. Postoje, názory a žiacke zdôvodnenia Otázka 1: EÚ investuje do rôznych oblastí výskumu. Ktorá je podľa Teba najdôležitejšia? Žiacke odpovede sú zhrnuté v tab. 1 a znázornené v grafe 1: Tab. 1: Žiacke odpovede k otázke č. 1, N = 150 Oblasť výskumu spolu chlapci dievčatá vedy a technika doprava a infraštruktúra ekológia a ŽP medicína a zdravotníctvo Neviem Školstvo Iné* * odpovede, ktoré sa vyskytli celkovo menej ako trikrát

128 iné 4% neviem 18% Oblasť výskumu, N=150 školstvo 3% veda a technika 33% doprava a infraštruktúra 3% medicína a zdravotníctvo 36% ekológia a ŽP 3% Graf. 1: Grafické vyjadrenie žiackych odpovedí k otázke č. 1 Zhrnutie: Viac ako 1/3 žiakov považuje za najdôležitejšiu oblasť, do ktorej by EÚ mala investovať, medicínu a zdravotníctvo. Tretina žiakov uviedla ako dôležitú oblasť výskumu rozvoj vedy a techniky, z nich 74% respondentov (33 žiakov) uviedlo konkrétnu oblasť energie a energetiky, čo môže byť ovplyvnené realizáciou testovania v prostredí výstavy venovanej získavaniu energie jadrovou fúziou. Žiaden z respondentov neuviedol viac ako jednu oblasť výskumu, do ktorej by mali byť nasmerované financie EÚ. Otázka 2: V čom vidíš význam výskumu, vedeckého a technického pokroku pre používanie energie? Žiacke odpovede sú zhrnuté v tab. 2 a znázornené v grafe 2: Tab. 2: Žiacke odpovede k otázke č. 2, N = 150 Význam výskumu pre používanie energie spolu chlapci dievčatá hľadanie, využitie a spôsob využitia nových a terajších zdrojov energie kvalita, výkonnosť, efektivita, ekonomika, bezpečnosť využívania energie ekológia a vplyv na životné prostredie ľudia a budúce generácie neviem + neuvedená odpoveď Význam výskumu pre používanie energie, N=105 14% hľadanie, využitie a spôsob využitia nových a terajších zdrojov energie 33% kvalita, výkonnosť, efektivita, ekonomika, bezpečnosť využívania energie ekológia a vplyv na životné prostredie 31% ľudia a budúce generácie 22% Graf. 2: Zdôvodnenie významu výskumu pre používanie energií (tí, čo sa k otázke vyjadrili)

129 Zhrnutie: Viac ako 1/3 respondentov sa k otázke buď nevyjadrila alebo napísala neviem. Ostatní respondenti uvádzali väčšinou viacero odpovedí. Pri vyhodnocovaní bolo potrebné odpovede kategorizovať. 33% žiakov, ktorí sa k otázke vyjadrili, uviedlo ako významnú oblasť výskumu hľadanie a využívanie zdrojov energie. O niečo menej respondentov (31%) uviedlo ako významnú oblasť výskumu hľadanie šetrnejšieho a ekologickejšieho spôsobu využívania energie. Otázka 3: Cestou k vyriešeniu energetických problémov je v prvom rade hľadanie nových ložísk. Zdôvodni. Žiacke odpovede sú zhrnuté v tab. 3. Tab. 3: Žiacke odpovede k otázke č. 3, N=150 Odpovede spolu percentá chlapci dievčatá áno 56 37% nie 76 51% neviem 18 12% 5 13 Žiacke odpovede sú zhrnuté v tab. 4 a znázornené v grafe 3: Tab. 4: Žiacke zdôvodnenia k odpovediam týkajúcich sa otázky 3, N=87 Spolu chlapci dievčatá zdôvodnenie odpovede áno potreba osobná a ľudská zdôvodnenie odpovede nie efektívnejšie využívanie energie nové / alternatívne zdroje šetrenie energie vyčerpateľnosť zdrojov Zdôvodnenie odpovede "nie", N=64 16% 8% 11% efektívnejšie využívanie energie nové / alternatívne zdroje šetrenie energie vyčerpateľnosť zdrojov 65% Graf 3: Grafické vyjadrenie žiackych zdôvodnení odpovede nie na otázku 4 Zhrnutie: Približne polovica (51%) žiakov nesúhlasí s tvrdením, že cestou k vyriešeniu energetických problémov je hľadanie nových ložísk. Logické zdôvodnenie odpovede nie uviedlo 16% takto odpovedajúcich žiakov tieto zdroje sa opätovne vyčerpajú, a teda neriešia problém dlhodobo. Zvyšné argumenty - treba efektívnejšie využívať energiu, šetriť energiou a hľadať alternatívne zdroje získavania energie nevnímame ako zdôvodnenie zápornej odpovede, ale ako

130 návrhy riešenia nedostatku zdrojov energie. Z dotazníkov nie je možné rozlíšiť, či sú tieto riešenie dôsledkom logického myšlienkového zdôvodnenia alebo či navrhované riešenia žiaci vnímali ako zdôvodnenie svojej odpovede. Odpoveď áno zdôvodňovali žiaci osobnou potrebou energie (emocionálne). Svoju odpoveď áno alebo nie sa pokúsilo zdôvodniť celkovo 58% žiakov, pričom vo väčšej miere uvádzali zdôvodnenie nesúhlasiaci (84%). Otázka 4: Ktorý typ elektrárne je najbezpečnejší a ktorý najmenej? Prečo? Žiacke odpovede sú zhrnuté v tab. 5 a znázornené v grafe 4a, 4b: Tab. 5: Žiacke odpovede k otázke č. 4, N=150 Spolu chlapci Dievčatá zdôvodnenie Bezpečný typ elektrárne počet percentá Jadrová ,00% Solárna ,00% Veterná ,3% Vodná ,3% Nebezpečný typ elektrárne Jadrová % Tepelná % neviem % 4a) Bezpečný typ elektrárne, N=150 3% 4b) Nebezpečný typ elektrárne, N=150 18% 37% Jadrová Solárna Veterná Vodná 21% 61% Jadrová Tepelná neviem 34% Žiacke zdôvodnenia sú zhrnuté grafe 5a, 5b: Graf 4a, 4b: Grafické vyjadrenie odpovedí na otázku

131 Zdôvodnenie bezpečnosti elektrárni využívajúcich obnoviteľné zdroje, N=41 22% 7% 7% vplyv na ŽP (minimálne znečistenie, minimálne ovplyvnenie) nízke percento kalamity (nehrozí výbuch) nevyčerpateľnosť zdroja 64% riziko verzus výhody Obr. 5a: Grafické vyjadrenie zdôvodnení bezpečného typu elektrární 15% Zdôvodnenie hrozby využívania jadrovej elektrárne, N=33 Hrozba výbuchu 15% uskladňovanie odpadu rádioaktivita 70% Obr. 5b: Grafické vyjadrenie zdôvodnení nebezpečného typu elektrární Zhrnutie: Respondenti uvádzali väčšinou viacero odpovedí. Drvivá väčšina žiakov (97%) považuje za bezpečný typ elektrárne elektráreň využívajúcu obnoviteľný zdroj energie. Toto tvrdenie zdôvodnilo celkovo 32% žiakov, ktorí uvádzali pre nich faktický argument - nízky vplyv elektrární na životné prostredie. Z iných položiek dotazníka však vyplynulo, že žiaci nemajú dostatočné vedomosti o fungovaní elektrární. Za nebezpečný typ elektrárne považujú žiaci najmä jadrovú elektráreň (61% žiakov). Toto tvrdenie zdôvodnilo 36% žiakov, pričom najčastejším zdôvodnením bola hrozba výbuchu elektrárne (70%). Toto zdôvodnenie radíme k emocionálnym argumentom strach z dôsledkov výbuchu (vyplynulo to z rozhovorov so žiakmi). Záver Tretina respondentov, žiakov druhého ročníka štvorročného gymnázia, považuje za dôležitú oblasť výskumu, do ktorej by EÚ mala investovať, rozvoj vedy a techniky, z toho 74% žiakov by financie nasmerovalo priamo do rozvoja energie a energetiky. V tejto oblasti by sa žiaci zamerali na hľadanie a využívanie nových, šetrnejších a ekologickejších zdrojov energie, pričom by sa orientovali na využívanie obnoviteľných zdrojov energie

132 Práve elektrárne, ktoré využívajú obnoviteľné zdroje energie, považujú za najbezpečnejšie a s najmenším negatívnym vplyvom na životné prosredie, pričom za top zdroj považujú slnko. Za najmenej bezpečné považujú jadrové elektrárne. Žiaci svoje tvrdenia zdôvodňovali prevažne emocionálnymi argumentmi vlastnými pocitmi (strachom z negatívnych dôsledkov), osobnou potrebou. V menšej miere uvádzali logické a racionálne argumenty, fakticky podložené argumenty sa v ich zdôvodňovaní počas pilotného testovania vôbec neobjavili. Na základe pilotného testovania sa metóda zberu dát formou dotazníka nepreukázala ako vhodná metóda na zisťovanie argumentačných schopnosti. Počas vyhodnocovania žiackej argumentácie sme sa stretli s problémom identifikácie jednotlivých typov argumentov. Pri žiackom zdôvodňovaní bolo potrebné brať do úvahy aj odpovede na iné položky v rámci dotazníka, aby sme si tak vytvorili obraz o myšlienkových operáciách respondenta a jeho usudzovaní. Odpovede v rámci položiek dotazníka neboli vždy konzistentné. Preto navrhujeme ďalší výskum žiackej argumentácie robiť formou kvalitatívnych metód hĺbkový rozhovor, interview, príp. štruktúrovaným pozorovaním. Poďakovanie Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. LPP Literatúra [1] Böttcher, F., Meisert, A.(2011). Argumentation in science education: A model-based Framework. Science in Education, [2] Caminada, M., Amgoud, L. (2007). On the evaluation of argumentation formalisms. In Artificial Intelligence Journal, V.171 (5-6), pp , [3] Driver, R., Newton, P., Osborne, J. (2000). Establishing the norms of argumentation in classrooms. Science Education, Vol. 84, No.3, pp [4] Duschl, R., Ellenbogen, E., Erduran, S. (1999, April). Understanding dialogic argumentation among middle schol science students. Paper presented at the annual conference of the American Educational Reearch Association, Montreal, Canada podľa Naylor, S., Keogh, B., Downing, B. (2007). Argumentation and Primary Science. Science in Education, [5] Erduran, S., Simon, S., Osborne, J. (2004). TAPping into argumentation: Developments in the application of Toulmin's argument pattern for studying science discourse. Science Education, 88(6), [6] Haverlíková, V. (2011). Prínosy a možné perspektívy programu Fúzia energia budúcnosti. In: Tvorivý učiteľ fyziky IV, zborník príspevkov z Národného festivalu fyziky 2011, Bratislava: Slovenská fyzikálna spoločnosť, s ISBN [7] Horváthová, J. (2011). Čo získali gymnazisti návštevou výstavy Fúzia Energia budúcnosti. In: Zborník príspevkov zo IV. odbornej konferencie Quo vadis vzdelávanie k vede a technike na stredných školách. Bratislava : Mladí vedci Slovenska, o.z. : Centrum vedecko-technických informácií SR, s , ISBN [8] Jimenez-Aleixandre, M., Rodrigues, A., Duschl, R. (2000). Doing the Lesson or Doing Science : Argument in High School Genetics. Science Education, 84(6), [9] Kelly, G., Takao, A. (2002). Epistemic levels in argument: An analysis of university oceanography students use of evidence in writing. Science Education, 86(3), [10] Kratochvílová, E. a kol. (2007). Úvod do pedagogiky. Pefagogická fakulta Trnavskej univerzity v Trnave. ISBN : Dostupné na (cit )

133 [11] Kuhn, D. (1992). Thinking as argument. Harvard Educational Review, 62, [12] Kuhn, D. (2005). Education for thinking. Cambridge (et al.): Harvard University Press. [13] Nagy, T., Nagyová, S., Likavský, P. (2010). Umenie prezentácie a komunikácie. Študijný materiál. Prírodovedecká fakulta, Univerzita Komenského v Bratislave. Dostupné na (cit ) [14] Schwarz, B. B., Neuman, Y., Gil, J., & Ilya, M. (2003). Construction of collective and individual knowledge in argumentation activity. Journal of the Learning Sciences, 12(2). [15] Tippett, Ch Argumentation: The Language of Science. Journal of Elementary Science Education, 21, [16] Trapp, R., Zompetti, J.P., Motiejunaite, J., Driscoll, W. (2005). Objavovanie sveda tebatou. Praktický sprievodca debatou pre debatérov, trénerov a rozhodcov. Dostupné na (cit ) Adresa autora PaedDr. Jana Horváthová Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky Mlynská dolina Bratislava horvathova.jana@gmail.com

134 OPTICKÉ VLÁKNA A ICH VYUŽITIE V PRAXI - MOTIVAČNÁ PREZENTÁCIA PRE ŽIAKOV GYMNÁZIÍ Martina Horváthová KTFDF FMFI UK, Bratislava Abstrakt: Princíp šírenia svetla v optických vláknach (OV), založený na úplnom odraze, je z hľadiska členenia fyziky veľmi úzka oblasť, čo sa odzrkadľuje aj v obsahu vyučovania fyziky na gymnáziách. Ak sa na problematiku pozrieme v kontexte využiteľnosti v praxi, OV sa zrazu stanú témou pomerne bohatou a širokou. Príspevok obsahuje námet, ako motivovať žiakov zaujímať sa o problematiku OV v rôznych súvislostiach. Téma ponúka zaujímavé fakty, videá, obrázky aj pre tých, ktorí sa zaujímajú o iné oblasti história, medicína, technika, nové technológie. Nosnou časťou príspevku je séria experimentov pre učiteľov na demonštrovanie princípu šírenia svetla v OV a ich využitia v praxi. Kľúčové slová: optické vlákna, prenos informácií, história, medicína, pokusy Úvod Príspevok je myslený ako námet pre učiteľa. Učiteľ si môže podľa času, ktorý chce téme venovať, podľa typu triedy (viac humanitná, viac informatická,..) vybrať, čo z nasledujúceho príspevku použije. V úvode témy sa poskytne žiakom na motiváciu zaujímavý, otázky vyvolávajúci, novinový článok. Úlohou žiakov je klásť vhodné otázky a vyhľadať k nim relevantné informácie. Bolo by vhodné, aby si jednotliví žiaci mohli vybrať, ktorá oblasť témy ich zaujala (medicína, technika, technológie, história), a k nej potom vyhľadajú vhodné informácie. Na nasledujúcich hodinách žiaci prezentujú svoju prácu, pričom sa učia citovať všetky použité zdroje. Úloha učiteľa je kontrolná, overuje správnosť a vhodnosť informácií, korektnosť citovania použitých zdrojov a dohliada na efektívny priebeh hodiny. V jednotlivých častiach nami pripraveného príspevku sú spracované informácie k jednotlivým nastoleným otázkam, aké by sme mohli približne očakávať od žiakov. Nosnou časťou príspevku sú námety na experimenty, ktorými môže učiteľ demonštrovať princíp šírenia svetla v OV a ich využitie v praxi. Motivácia k téme Inšpiráciou, ako motivovať žiakov zaujímať sa o problematiku optických vlákien, bola tlačová správa z februára 2012 o poškodení podmorských optických káblov kotvou lode [1] Obr.1: Mediálna správa z

135 Týmto článkom môžeme v triede navodiť uvedenú problematiku nastolením priam núkajúcich sa otázok, na ktoré sú žiaci sami schopní vyhľadať informácie, zaujímavé fakty, videá, obrázky. Tab. 1: Otázky, ktoré vyvoláva tlačová správa (obr.1) Čo sú optické káble a načo sa používajú? Na akom princípe fungujú? Kde všade sú uložené? Ako sa tam dostali? Od kedy sa používajú? (história) Používajú sa optické vlákna aj na iné účely? Vieme si princíp optických vlákien nejako názorne predviesť? Čo sú optické káble a načo sa používajú? Optické káble sú zložené z optických vlákien a ochranných častí. Optické vlákna sa vyrábajú najčastejšie z polymérov alebo z kremíkového skla (SiO 2 ). O vysokej technológií výroby OV svedčí skutočnosť, že tabuľa zo skla na výrobu OV s hrúbkou 110 km je rovnako priehľadná, ako tabuľa skla v okne s hrúbkou cca 1 cm [2] Najvýznamnejšie využitie OV je v komunikácií pri prenose informácií. Obr. 2: Optický kábel Pojmami ako digitálny a analógový signál, bit, bajt, vzorkovacia frekvencia, mp3, waw, ktoré sú odsiahnuté v štátnom vzdelávacom programe pre gymnáziá ISCED 3 [3] sa zaoberá článok Demkanin, P. : Digitalizácia signálu v učive fyziky na gymnáziu [4] Na akom princípe fungujú OV? Svetlo je schopné šíriť sa vláknom, keď je splnená podmienka pre úplný odraz svetla : 1 φ > φ M, pričom pre medzný uhol platí : sin ϕ = n M n 2 príjmový kužel α max nevedený lúč n 2 n 1 n o β max vedený lúč Obr. 3: Optické vlákno, naviazanie žiarenia do vlákna φ jadro obal

136 Kde všade sú OV uložené? Zaujímavou informáciou je skutočnosť, že keby sme zobrali všetky dnes používané optické káble, vlákna sú tak dlhé, že by dokázali omotať Zem asi 25-tisíckrát a každú hodinu toto vlákno narastie o niekoľko tisícok km [5]. Veľmi názorné mapy, kde všade sú uložené optické komunikačné káble, je možné nájsť na mnohých stránkach, napríklad [6]. Obr.4.: Mapa optických komunikačných káblov, [6] Ako sa tam dostali? K tejto problematike odporúčame vyhľadať videá na stránkach youtube, kde názorne vidieť výrobu optických vlákien [7], navíjanie káblov na obrovské kotúče umiestnené na špeciálnych lodiach [8]. Veľmi zaujímavé je historické video z roku 1936 o vyrábaní kovových káblov a ich ukladaní do mora. [9]. Od kedy sa používajú? (história) Tému môžeme rozčleniť na viacero oblastí. Veľmi zaujímavá je otázka formy komunikácie medzi ľuďmi na väčšie vzdialenosti od dávnej minulosti až po súčasnosť. Veľa inšpiratívneho materiálu poskytuje internet ohľadne podmorských transatlantických komunikačných káblov od druhej polovice 19 storočia po dnešnú dobu. Napríklad Lord Kelvin (William Thompson, ) bol povýšený do šľachtického stavu vďaka svojej práci pri kladení transatlantických káblov [10]. Zaujímavý je aj fakt, že v roku 1866 pri prenosovej rýchlosti 8 slov za minútu medzi Kanadou a Írskom bola cena za prenos 20 slov 100 USD [11]. Na stránke [12] nájdeme aj podrobnejšiu tabuľku o kapacite prenosu informácií cez transatlantický kábel podstatne skrátenú tabuľku uvádzame pre zaujímavosť aj v tomto príspevku. Tab.2: Tabuľka kapacity prenosu informácií cez transatlantické káble [12] Niekoľko slov za hodinu 1858 (telegraf) slov za minútu (telegraf) 36 telefonických kanálov 1956 (koaxiálne káble) telefonických hovorov 1978 (koaxiálne káble) 280 Mbit/s ( telefonických kanálov) (optické káble) 640 Gbit/s 2001 ( telefonických kanálov) (optické káble) 2007 Vyše 1 Tbit/s (optické káble)

137 V téme histórie určite nesmie chýbať meno Charles Kao, ktorý v roku 1966 prišiel na myšlienku použiť sklenené vlákna na prenos informácií pomocou svetla z lasera, ktorý bol vynájdený Tedom Maimanom v roku V roku 2009 dostal Charles Kao za svoju prácu Nobelovu cenu za fyziku. Obr. 5: Charles Kao (vľavo) v Štokholmskej koncertnej hale preberá z rúk švédskeho kráľa Karola XVI Gustáva Nobelovu cenu za fyziku za rok 2009 [13] Používajú sa optické vlákna aj na iné účely? Optické vlákna nachádzajú široké uplatnenie nielen v komunikácií, ale vďaka svojim vlastnostiam (malej hmotnosti, bezpečnosti v prostredí s horľavými a výbušnými látkami, odolnosti voči vonkajšiemu elektromagnetickému rušeniu) sa využívajú napríklad vo vojenstve, v automobilovom a leteckom priemysle a v mnohých oblastiach techniky. Môžeme uviesť príklady OV ako senzorov : reflexné senzory (počítanie predmetov na výrobných linkách, kontrola vzhľadu predmetov, snímače čiarového kódu), transmisné senzory (počítanie predmetov, snímanie rýchlosti otáčok a lineárneho posunu, indikácia polohy predmetov), senzory hladiny kvapaliny, senzory využívajúce ohyb a mikroohyb vlákna [14]. Pojmy ako gastroskopia, bronchoskopia, rektoskopia, kolonoskopia, rinoskopia, hysteroskopia, cystoskopia a iné, spája jedna fyzikálna podstata prenos svetla do neprístupných častí tela pomocou optických vlákien. Sú to medicínske, takzvané endoskopické metódy na vyšetrovanie dutých častí tela (žalúdok, pľúca, konečník, hrubé črevo, nos, maternica, močové cesty a iné) [15]. Na vyšetrenie slúži endoskop - optický prístroj na princípe optických vlákien, ktorý umožňuje posvietiť si a preniesť obraz z dutých častí tela. Endoskopy sa využívajú aj v priemysle. Obr. 6: Endoskop [16] Na princípe použitia endoskopu je založená minimálne invazívna chirurgická operačná metóda používaná v gynekológií, urológií a brušnej chirurgii. Výrazne sa rozvíja od 90 rokov 20 storočia. Na

138 nasledujúcom obrázku (obr.7) je názorne vidieť, ako lekár operuje. Pacientovi sa pred operáciou naplní brušná dutina plynom CO 2 a pri minimálnych otvoroch sa do tela zavedie endoskop slúžiaci na osvetlenie a zobrazenie orgánov a ďalšími otvormi sa do tela zavedú chirurgické nástroje. Tu dávame do pozornosti pre žiakov zaujímajúcich sa o medicínu, vyhľadať viac informácií o týchto metódach, ako aj o histórií laparoskopie [15], názorné video laparoskopie z Detskej fakultnej nemocnice na Kramároch môžete nájsť tu [17] Obr.7: Schéma laparoskopickej operácie [15] Vieme si princíp optických vlákien nejako názorne predviesť? Prvý pokus je uskutočniteľný pomocou hranola z plexiskla a lasera. Na obrázku je vidieť ako sa lúče na rozhraní plexisklo vzduch úplne odrážajú. Obr.8: Úplný odraz svetla pomocou hranola z plexiskla a lasera Názorným pokusom s PET fľašou, laserovým ukazovátkom si môžeme predviesť princíp vedenia svetla OV. Prúd vody vytekajúci z otvoru na spodku fľaše predstavuje optické vlákno. Laserovým ukazovátkom svietime do otvoru na fľaši a pozorujeme, ako sa svetlo šíri prúdom vody a na mieste dopadu vody pozorujeme svetelnú stopu

139 Obr.9: Prúd vody vytekajúci z fľaše prestavuje optické vlákno Pomocou malého kúska polymérového optického vlákna môžeme demonštrovať schopnosť optického vlákna naviazať svetlo. Ak je takéto OV na bežnom dennom svetle, koniec OV svieti OV naviazalo svetlo (vďaka svojim vlastnostiam z pomerne veľkého priestoru prijímového kužeľa (obr.3). Ak jeden koniec OV zakryjeme, druhý koniec prestane svietiť. Obr.10: Pokus na demonštráciu naviazania svetla do optického vlákna V niektorých obchodoch v ponuke dekoračná LED lampa s optickými vláknami (cena je pár eur). Obr.11: Dekoračná lampa z troch farebných LED diód a zväzku optických vlákien Lampa nám môže dobre poslúžiť pri niekoľkých pokusoch. Predchádzajúci pokus s naväzovaním svetla do vlákien a zakrývaním jedného konca vlákien môžeme uskutočniť aj so zväzkom optických vlákien z lampy. Pomocou dekoračnej lampy si môžeme ukázať, že svetlo vieme dostať za roh. Toto má veľký význam aj v medicíne pri laparoskopických operáciách, kedy svietime do neprístupných častí tela prostredníctvom OV v endoskope

140 Obr. 12 : Svetlo vieme dostať za roh (princíp endoskopu) Ďalší pokus bol inšpirovaný históriou, kedy sa v 1929 J.L.Baird (vynálezca televízie) pokúsil pomocou kábla spleteného z tisícok sklenených vlákien preniesť obraz za roh laboratória obraz bol však veľmi nekvalitný. My môžeme napodobniť tento pokus pomocou zväzku optických vlákien z dekoračnej lampy, kedy sledujeme obraz predmetu (najlepšie malých rozmerov a kontrastný vzhľadom k okoliu) prenesený z jedného konca zväzku OV na druhý. Obr. 13: Prenos obrazu pomocou zväzku optických vlákien Záver V príspevku boli navrhnuté viaceré námety pre učiteľa. Zvolenú tému považujeme za veľmi aktuálnu a hodnú toho, aby ňou boli oboznámení žiaci gymnázií. Učiteľ si môže podľa času, ktorý chce téme venovať, podľa typu triedy, vybrať, čo z nami navrhnutého príspevku použije. Za prínos príspevku pokladáme zhrnutie problematiky OV z viacerých uhlov pohľadu a hlavne navrhnutie súboru pokusov s poukázaním na princíp, vlastnosti praktické využitie optických vlákien. Poďakovanie Príspevok je súčasťou riešenia grantovej úlohy Agentúry na podporu výskumu a vývoja (APVV), č. LPP Prírodné vedy v školských vzdelávacích programoch

141 Literatúra [1] /default.aspx [2] CAIRNCROSS,F. Konec vzdálenosti: Jak komunikační revoluce změní naše životy. Brno: Computer Press,1999. [3] ŠPÚ: Štátny vzdelávací program Fyzika ISCED 3, 2009, dostupné na internete [4] DEMKANIN, P. Digitalizácia signálu v učive fyziky na gymnáziu. In : Fyzikálne listy 3, 2011 [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] LAUKOVÁ, M. Jednoduché pokusy s optickým vláknom : Diplomová práca. Bratislava : MFF UK, katedra optiky, [15] [16] [17] Adresa autora Mgr. Martina Horváthová KTFDF FMFI UK Mlynská dolina, Bratislava tinahorvi@gmail.com

142 METEOROLOGICKÉ PRÍSTROJE ZO ŠKOLSKÝCH LAVÍC Zuzana Hudáková 1. súkromné gymnázium v Bratislave, Bajkalská 20, Bratislava Abstrakt: Príspevok sa zaoberá možnosťami zostrojenia meteorologickej stanice na základných školách. Sú tu uvedené návody na zostrojenie jednotlivých meteorologických prístrojov z jednoduchých pomôcok. Príspevok zároveň prezentuje skúsenosti učiteľov z výroby prístrojov ako aj z merania, pozorovania a zaznamenávania meteorologických prvkov v školskom prostredí. Kľúčové slová: meteorologická stanica, meteorologické prístroje, jednoduché pomôcky Úvod Predpoveď počasia sleduje určite každý z nás. Podľa neho vieme, ako sa máme obliecť, pripraviť sa na veľké sucho, nebezpečné búrky či povodne. S meteorológiou, ako vedou o počasí, sa stretávame už aj v štátnom vzdelávacom programe ako aj v nových učebniciach, kde sa nachádza téma meteorologické pozorovania. Podľa ISCED2 má žiak vedieť vypracovať záznam údajov z meteorologických pozorovaní, navrhnúť tabuľku, porovnať údaje v triede, prezentovať údaje aj formou grafov (Lapitková, 2009). Taktiež tu nájdeme aj nepovinnú aktivitu pre žiakov, a to: Praktické meteorologické pozorovania, meteorologická stanica dlhodobá tímová práca a pozorovanie (napr. vlhkomer, anemometer, meteorologická búdka, veterná smerovka, zachytávače nečistôt) (Lapitková, 2009). Žiaci tak majú možnosť zoznámiť sa s postupom práce meteorológov, s meteorologickými prístrojmi, zažijú vedeckú prácu v školskom prostredí, a tým rastie ich motivácia a záujem. Meteorologická stanica v areály školy Už niekoľko rokov žiakom zadávame komplexnú a zároveň dlhodobú úlohu, a to: V areály školy zostroj meteorologickú stanicu s vlastnými funkčnými prístrojmi, ktorými by sme dokázali s určitou presnosťou merať jednotlivé meteorologické prvky. Problematiku začíname návštevou Slovenského hydrometeorologického ústavu (SHMU), kde žiaci navštívia meteorologickú stanicu (záhradku) a miestnosť, kde sa predpovedá počasie. Táto exkurzia má hlavne motivačný charakter, kde sa žiaci zoznámia s prácou meteorológov ako aj s jednotlivými meteorologickými prístrojmi, pomocou ktorých sa merajú meteorologické prvky a následne robí predpoveď počasia. Žiakom sú tu ukázané rôzne typy zrážkomerov a teplomerov, vlhkomery, heliograf, vyparometer, anemometer s veternou smerovkou, tlakomer atď. Po návrate do školských lavíc prebieha diskusia: Dokázali by sme aj my merať jednotlivé meteorologické prvky? Ktoré prístroje z videných v SHMU by si vedel zostrojiť? V rámci diskusie žiaci vyberajú meteorologické prístroje, ktoré by boli schopní zostrojiť a zároveň navrhujú možné pomôcky a postup realizácie. Počas tejto diskusie si žiaci často uvedomia, že na zostrojenie funkčných prístrojov nemajú dostatočné informácie. Preto v tejto fáze prebieha teoretická predpríprava, kedy je žiakom vysvetlený princíp fungovania jednotlivých

143 prístrojov. Následne sa žiaci rozdelia do skupín, v rámci ktorej dotvoria návrhy a samotný prístroj zostroja. Návody na zostrojenie meteorologických prístrojov Veterná smerovka Smer vetra sa dá ľahko zistiť použitím vlasu, ľahkej šatky a pod. Udáva sa podľa smeru odkiaľ vietor fúka, najčastejšie pomocou svetových strán. V škole na určovanie smeru vetra zostrojujeme nasledovnú veternú smerovku (obr. 1). Konštrukcia: 1. Na výkres znázorníme svetové strany a umiestnime ho v dolnej časti stojanu. 2. Zostrojíme si ukazovateľ na dlhú špajdľu, príp. slamku pripevníme z jednej strany šípku a na opačnú stranu umiestnime veľký povrch - kormidlo. 3. Ukazovateľ v ťažisku pripevníme na dno skúmavky. 4. Skúmavku s ukazovateľom nasunieme na stojan. Použitie: 1. Veternú smerovku natočíme pomocou kompasu tak, aby sa svetové strany na výkrese zhodovali so svetovými stranami na kompase. 2. Keďže vietor nefúka rovnomerne, ale v nárazoch, zaznamenávame najčastejšie ukazovaný smer. Obr. 1: veterná smerovka, kyvadlový anemometer, určovanie rýchlosti vetra Anemometer K relatívne presnému určeniu rýchlosti vetra používame tzv. kyvadlový anemometer (Pottenger, 1993). Konštrukcia (Obr. 1): 1. Niť (40 cm) prevlečieme cez pingpongovú loptičku. 2. Niť na uhlomer pripevníme tak, aby vzdialenosť dierky od uhlomera bola 30 cm. 3. Pripravený uhlomer s loptičkou pripevníme na vodováhu. Použitie: 1. Zostrojený anemometer držíme stále vo vodorovnej polohe, ktorú si kontrolujeme pomocou vodováhy. Pri bezvetrí by mala niť prechádzať práve 90, čo predstavuje rýchlosť 0 m/s. 2. Pri vetre sa loptička vychýli. Postavíme sa tak, aby vietor fúkal z jednej strany. Tým zabránime tomu, aby telo ovplyvňovalo prúd vzduchu

144 3. Niť bude prechádzať určitým stupňom na uhlomery a pomocou tabuľky (tab. 1) môžeme určiť rýchlosť vetra, resp. rýchlosť vetra v nárazoch. Pri meraní taktiež často používame tzv. odhadové tabuľky (tab. 2), kde žiaci na základe pozorovania prírody a okolia lístie na stromoch, vlajky, hladina vody a pod., vedia určiť rýchlosť vetra. Tab. 1: Určovanie rýchlosti vetra Tab. 2: Odhad rýchlosti vetra (Lapitková, 2010) (Pottenger, 1993) Vlhkomer Žiaci sa v SHMU zoznámia s vlasovým vlhkomer ako aj s tzv. aspiračným vlhkomerom (obr. 2). Je to vlhkomer, kde sa vlhkosť určuje na základe rozdielu teplôt suchého a vlhkého teplomeru. V školskom prostredí sa dajú veľmi ľahko zostrojiť obidva vlhkomery, no na presnejšie určenie vlhkosti vzduchu odporúčame použiť aspiračný. Konštrukcia aspiračného vlhkomeru (Pottenger, 1993): 1. Pripevníme 2 teplomery na podložku tak, aby stupnice teplomerov boli dobre viditeľné. 2. Pod jeden teplomer položíme pohár s vodou. 3. Daný teplomer, tzv. vlhký, obalíme do ponožtičky (napríklad z obväzu alebo inej tkanej látky) a jej koniec vložíme do pohára. Použitie aspiračného vlhkomeru (Pottenger, 1993): 1. Odčítame teplotu na oboch teplomeroch 2. Z nameraných teplôt a pomocou tabuľky (tab. 3) vieme veľmi jednoducho určiť vlhkosť vzduchu

145 Obr. 2: Aspiračný vlhkomer Tab. 3: Určovanie vlhkosti Záver V školskej meteorologickej stanici nechýbajú ani ďalšie dôležité prístroje, ktoré sa dajú tiež zostrojiť z jednoduchých pomôcok (teplomer, rôzne typy zrážkomerov, tlakomer, vyparometer). Po zostrojení jednotlivých prístrojov nasleduje pravidelné meranie a pozorovanie meteorologických javov. Žiaci si údaje zapisujú a spracovávajú v tabuľkovej aj grafickej podobe. Namerané údaje následne porovnávajú s predpoveďou počasia na stránkach SHMU, čím sa kontroluje funkčnosť zhotovených prístrojov a zároveň sa zoznamujú s modelom ALADIN a učia sa čítať z rôznych typov grafov. Na konci približne mesačného merania nastáva vyhodnotenie: Už vieme merať meteorologické prvky prvú, dôležitú časť práce meteorológa. Vedeli by sme zo zistených údajov predpovedať aj počasie? Po analýze tabuliek a grafov žiaci nachádzajú súvis medzi zmenami jednotlivých meteorologických prvkov a zmenou počasia, napríklad ako ovplyvňuje zmenu počasia zmena tlaku, oblačnosti, vlhkosti a pod. S touto aktivitou máme veľmi dobré skúsenosti, žiaci pracujú aktívne, so záujmom. Dá sa využiť čiastkovo na vyučovaní fyziky, prípadne ako dlhodobý problém na krúžkoch. Literatúra [1] GAŽÁKOVÁ, Soňa a spol Fyzikálne pokusy, [online], [citované 20. apríl 2012]. Dostupné na: < [2] LAPITKOVÁ, Viera. a kol ŠVP, fyzika príloha ISCED 2, Štátny pedagogický ústav. Posúdila a schválila ÚPK pre fyziku, Bratislava [online], [citované 20. apríl 2012]. Dostupné na: < vzdelavacie_oblasti/fyzika_isced2.pdf> [3] LAPITKOVÁ, Viera. a kol Fyzika pre 7. ročník základných škôl a 2. ročník gymnázia s osemročným štúdiom. Prvé vydanie. Pedagogické vydavateľstvo Didaktis, s.r.o., Bratislava, ISBN [4] POTTENGER, Francis PRÍRODOVEDA FAST 1. Naše životné prostredie Meteorologická stanica. Výskumný ústav pedagogický, Bratislava, Adresa autora Mgr. Zuzana Hudáková, PhD. 1. súkromné gymnázium v Bratislave Bajkalská 20, Bratislava zhudakova@1sg.sk

146 SIMULÁCIE, VIRTUÁLNE LABORATÓRIUM Dana Jančinová 1. súkromné gymnázium v Bratislave Abstrakt: Na laboratórnych cvičeniach sa dajú pri niektorých témach využiť počítačom riadené simulácie, ktoré umožňujú prostredníctvom virtuálneho laboratória žiakom vytvárať si predstavy fyzikálnych javov a animovať rôzne hraničné prípady experimentov, ktoré by reálne nemohli vyskúšať. Žiaci postupujú vlastným tempom, učia sa samostatnej výskumnej práci. Kľúčové slová: simulácia PhET, virtuálne laboratórium, simulácia, gravitačné účinky 1. Úvod V kvinte osemročného štúdia som sa pri téme gravitačné pole, gravitačná sila a jej účinky rozhodla použiť animácie Gravity and Orbits [1] a My Solar System [2], ktoré umožňujú vizualizáciu účinkov gravitačnej sily na vesmírne objekty. Študenti majú možnosť samostatne objavovať ako rôzne charakteristiky objektov a podmienky, v ktorých sa nachádzajú, ovplyvňujú ich trajektórie. Vizualizácia im rozvíja predstavivosť, sú motivovaní a lepšie pripravení na riešenie náročnejších výpočtových úloh. Nezanedbateľnou výhodou takéhoto virtuálneho laboratória je, že každý žiak má možnosť realizovať vlastný experiment svojím tempom a môže sa k nemu vrátiť aj individuálne doma, nakoľko je softvér voľne dostupný. Rôzne výsledky pokusov vedú k živej diskusii, ktorá je základom hlbšieho pochopenia problematiky a rozvíja kompetenciu kritického myslenia a vyjadrovania vlastného názoru. 2. Simulácie PhET Interaktívne animácie PhET vytvoril tím odborníkov, ktorý čerpal financie z rôznych sponzorských darov a dotácií, pričom sa jednotlivé animácie testovali na skupinách študentov a dnes môžeme všetci zadarmo využívať nielen animácie, ale aj didaktické materiály. Animácie zahŕňajú rôzne predmety fyziku, biológiu, chémiu a matematiku a sú preložené do mnohých jazykov, aj do slovenčiny. Žiaci tak môžu pracovať buď s anglickou, alebo slovenskou verziou softvéru. Fyzikou sa zaoberá okolo 80 animácií, ktoré sú rozdelené do siedmych oblastí: pohyb, zvuk a vlny, práca, energia a výkon, teplo, kvantové javy, svetlo a žiarenie, elektrina, magnetizmus a elektrické obvody. Prvýkrát som siahla po tejto forme v septembri 2011 v kvinte osemročného štúdia. Rozhodla som sa oživiť tému gravitačná sila a jej účinky, nakoľko animácia poskytuje vhodnú vizualizáciu pohybov vesmírnych telies, ktoré žiaci popisujú vzťahmi. Skôr, než žiaci napr. vypočítajú dobu obehu telesa okolo centrálneho objektu, môžu sa intuitívne zoznámiť s jednotlivými závislosťami. Kapitoly Gravitačné pole, Newtonov gravitačný zákon, pohyby telies v radiálnom gravitačnom poli nie sú zaradené do štátneho vzdelávacieho programu, ale sú v cieľových požiadavkách a na našej škole sme tieto kapitoly zaradili do školského vzdelávacieho programu. Rozhodla som sa využiť dve animácie Gravity and Orbits [1] a My Solar System [2] na dvoch dvojhodinovkách laboratórnych cvičení. Pri príprave hodín som mala na pamäti rady profesorky z oddelenia didaktiky fyziky Lynn Bryan z University of Purdue, USA. Lynn nám v skvelej prednáške na konferencii GIREP 2011 vysvetľovala, aby sme pri použití každej animácie nezabudli, že najúčinnejšie je nechať žiakov sa hravou formou s animáciou zoznámiť, nezahltiť ich množstvom úloh. Dôležité je, aby mali sami možnosť skúmať a učiť sa aj z vlastných nevydarených pokusov. Žiaci sa zoznámili s oboma simuláciami asi za 20 minút, vyskúšali všetky možnosti, ktoré poskytujú a až následne pracovali s pripraveným pracovným listom

147 Pri každej animácii je množstvo materiálov, ktoré vytvorili buď samotní autori, alebo učitelia, ktorí animácie využili, a tak je dobré sa najprv zoznámiť s už vytvorenými didaktickými pomôckami a hlavne s didaktickými poznámkami a radami. Každý materiál je zaradený do systému podľa obsahu a veku žiakov, čo je vidno aj na materiáli, ktorým som sa inšpirovala [3]. 3. Pracovný list Uvádzam časť pracovného listu, ktorý som pre žiakov pripravila: Gravitačná sila a jej účinky Meno: Úlohy: Zoznámte sa animáciami A) GravityAndOrbits a B) MySolarSystem a vyriešte zadané úlohy. Teória: Postup a výsledky: A. Kliknite na odkaz GravityAndOrbits a uložte slovenskú verziu animácie na plochu počítača. Nastavte gravitačnú silu, rýchlosť a trajektóriu. Vyskúšajte všetky animácie Slnko a planéta, Slnko, planéta a Mesiac, Planéta a Mesiac a Planéta a stanica ISS v nastavení Animácia aj V mierke. A1) Vo všetkých prípadoch vyskúšajte, čo sa stane, ak sa na 1 sekundu stratí gravitačná príťažlivosť a popíšte vplyv straty gravitácie. A2) Nakreslite Slnko, Zem a Mesiac, do obrázka nakreslite gravitačné sily pôsobiace na jednotlivé objekty. B. Kliknite na odkaz MySolarSystem a uložte slovenskú verziu animácie na plochu počítača. Nastavte centrálny systém and zobraziť trajektóriu. Vyskúšajte všetky animácie Slnko a planéta, Planéta a Mesiac, Planéta a kométa, atď. Skúste nastavovať rôzne hodnoty hmotností objektov, ich polohu a rýchlosti. Nakoniec vyskúšajte rôzne nastavenia. B1) Dve telesá: Vyberte si 2 telesá. Vyplňte hmotnosti podľa tabuľky (Tab. 1). Vyskúšajte rôzne hodnoty a smery rýchlosti tak, aby ste získali rôzne trajektórie obežnice a udržali centrálne teleso čo najbližšie v pôvodnej polohe. V akých jednotkách by mohli byť uvedené veličiny? Doplňte také hodnoty x, y, v x a v y, ktoré ukázali tri rôzne trajektórie obežnice. Tab. 1: Dve telesá teleso m x y v x v y trajektória B2) Slnečná sústava: Vyberte si 4 telesá. Vyplňte úvodné nastavenia podľa tabuľky (Tab. 2). Pozorujte simuláciu. Tab. 2: Slnečná sústava teleso m x y v x v y

148 a) Aké sú rýchlosti jednotlivých planét? Aké všeobecné pravidlo pre tieto rýchlosti platí? Skúste si nastavovať rôzne hodnoty v y. Neurobte viaceré zmeny súčasne, aby ste videli vplyv zmien. b) Vyberte si jednu zaujímavú situáciu, ktorú ste dosiahli. Doplňte hodnoty pre túto vybranú situáciu do tabuľky (Tab. 3) a popíšte svoje pozorovanie. Tab. 3: Zaujímavá situácia teleso m x y v x v y B3) Úniková rýchlosť: Vyberte si 4 telesá. Vyplňte úvodné nastavenia podľa tabuľky (Tab. 4). Simulácia vám ukáže, aký vplyv má obvodová rýchlosť na trajektóriu obežnice. Premyslite si, aká fyzikálna podmienka musí byť splnená, aby sa obiehajúce teleso odtrhlo od stálice. Tab. 4: Úniková rýchlosť teleso m x y v x v y Postrehy Tento pracovný list žiaci využívali na dvoch dvojhodinovkách cvičení. Trieda je na cvičenia rozdelená na dve skupiny po 13 žiakov, každý žiak mal k dispozícii laptop na samostatnú prácu. Súčasťou pracovného listu boli ešte dve úlohy (neuvedené), ktoré však splnili iba niektorí žiaci. Najdôležitejšou časťou oboch dvojhodinových cvičení bola diskusia, ktorá prebiehala spontánne medzi žiakmi, individuálne s učiteľom, alebo v istých častiach hodiny bola riadená učiteľom. Ku animáciám sme sa vrátili aj na spoločnej hodine pri riešení príkladov, kde sme dávali jednotlivé zadania výpočtových úloh do kontextu so simuláciami. 5. Záver Po tejto veľmi dobrej skúsenosti sme s využitím animácií pokračovali. Kolegyňa Zuzana Hudáková využila v sekunde osemročného štúdia napr. simulácie Color vision a Bending light, doplnila tak reálne pokusy, ktoré robia sekundáni v rámci prírodovedy počas štyroch hodín, ktoré týždenne majú v laboratóriu. Zdroje [1] < , 20:00 [2] < , 20:00 [3] Patrick Harmon, < , 20:00 Adresa autora RNDr. Dana Jančinová 1. súkromné gymnázium v Bratislave Bajkalská 20, Bratislava danajanc@1sg.sk

149 VÝUČBOVÉ MATERIÁLY NA TÉMU ZVUK V PROJEKTE ESTABLISH Zuzana Ješková, Marián Kireš, Ewa Kedzierska Prírodovedecká fakulta UPJŠ Košice, CMA Amsterdam, Holandsko Abstrakt: V príspevku sú predstavené výučbové materiálov na tému Zvuk, ktoré boli vytvorené v rámci projektu 7. rámcového programu ESTABLISH zameraného na tzv. Inquiry-based science education (IBSE) alebo Učenie založené na aktívnom prírodovednom bádaní. Výučbové materiály sú zamerané na rozličnú úroveň aktívneho žiackeho bádania a v príspevku sú prezentované prvotné skúsenosti z ich zaradenia do vyučovania. Kľúčové slová: aktívne prírodovedné bádanie, zvuk Úvod V súčasnosti prebiehajúca reforma vzdelávania na Slovensku prináša do vzdelávania mnohé zmeny v organizácii ako aj v obsahu vzdelávania. V oblasti prírodovedného vzdelávania je veľký dôraz kladený na tzv. aktívne poznávanie, resp. prírodovedné bádanie. Tieto trendy sú v súlade s celoeurópskymi trendmi vo vzdelávaní, kde sa najčastejšie v súčasnosti skloňuje pojem Inquirybased science education, čo najlepšie vystihuje pojem učenie založené na aktívnom prírodovednom bádaní. To predovšetkým znamená, že žiaci majú mať čo najviac príležitostí samostatne (s väčšou alebo menšou dávkou riadenia učiteľom) odhaľovať zákonitosti správania sa fyzikálnych javov a procesov. Žiak v procese poznávania realizuje tzv. aktivity, ktoré vedú ku konštrukcii nových poznatkov a zároveň rozvíjajú kompetencie žiakov, ktoré môže žiak využiť aj v iných oblastiach života. Vo fyzike sú tieto činnosti spojené predovšetkým s experimentovaním s rozličnou úrovňou zapojenosti žiaka, resp., učiteľa do tohto procesu. Medzinárodný projekt 7. rámcového programu ESTABLISH ( , so zapojením 10 európskych partnerov je orientovaný na šírenie a využívanie metód aktívneho prírodovedného bádania u žiakov II. stupňa základných škúl a žiakov stredných škôl s cieľom pripraviť učebné materiály, adaptovať ich na národné kurikulum a realizovať ďalšie vzdelávanie učiteľov v tejto oblasti. Čo je aktívne prírodovedné bádanie? Existuje mnoho definícií čo je aktívne prírodovedné bádanie. Ide o komplexný pojem, ktorý zahŕňa systematický proces spojený so skúmaním sveta okolo nás a pochopením ako funguje. Bádanie vo vzťahu k vede (podľa M. Linnovej, E. Davisovej, B. Eylonovej, 2004) v sebe zahŕňa zámerný proces spojený s rozpoznaním problému, návrhom vhodných experimentov a posúdením alternatívnych možností, plánovaním postupu skúmania, tvorbou hypotéz, vyhľadávaním informácií, tvorbou modelov, diskusiou s kolegami a formulovaním logických argumentov. Autori sa zhodujú v tom, že proces bádania vo vyučovaní prírodných vied by mal čo najvernejšie odrážať to, čo sa robí v skutočnej vede (Ash et al., 2003). Je všeobecne akceptované, že ide o učenie zamerané na žiaka, ktorého hlavným cieľom nie je transfer poznatkov ale predovšetkým rozvíjanie schopností logicky myslieť, a argumentovať, rozpoznať a formulovať problémy a hľadať na nich odpovede prostredníctvom samostatnej aktívnej činnosti. Tieto činnosti, sú realizované najčastejšie prostredníctvom tzv. aktivít, ktoré zahŕňajú prvky aktívneho bádania (Linn, Davis, Eylon, 2004) v rozličnej miere. Na jednom konci môžu byť jednoduché aktivity riadené v plnej miere učiteľom cez bádateľské aktivity s väčšou mierou samostatnosti žiaka až po aktivity, pri ktorých výskumný problém formulujú samotní žiaci. Môže ísť napr. o aktivity s učebnicou, textom, kedy žiaci samostatne vyhľadávajú informácie, učiteľ realizuje experimenty interaktívnym spôsobom, žiaci realizujú experimenty podľa návodu (napr

150 experimenty zamerané na overenie známej teórie), žiaci realizujú objaviteľský experiment s menšou alebo väčšou pomocou učiteľa, problém formuluje učiteľ a žiaci hľadajú na ne odpovede, čo môže viesť napr. k laboratórnym aktivitám, resp. žiaci hľadajú odpovede na otázky/problémy, ktoré sami formulujú. To znamená, že jednotlivé aktivity sa môžu od seba odlišovať v závislosti od miery zapojenosti žiaka, resp. učiteľa ako aj podpory učebnými materiálmi. Hierarchia bádateľských činností adaptovaná riešiteľmi projektu ESTABLISH vychádza z členenia S.Wenninga (2005) (tab.1). Tab. 1 Základná hierarchia bádateľských aktivít Riadené Riadené Viazané objavovanie bádanie bádanie vysoká podpora učebnými materiálmi nízka učiteľ činnosť riadi žiak Interaktívna diskusia/demonštrácia Otvorené bádanie Výučbové materiály na tému ZVUK V rámci projektu ESTABLISH sú vytvárané výučbové materiály so zameraním na témy: Zvuk, Svetlo, Jednosmerný elektrický prúd, Tepelne izolovaný dom a Zobrazovacie metódy v medicíne. Všetky výučbové materiály majú jednotnú štruktúru, ktorá pozostáva z nasledovných častí: Metodický materiál pre učiteľa (opis vyučovacej jednotky, prvky aktívneho žiackeho bádania, vedecký obsah, didaktický problém, väzba na priemysel, vyučovacie postupy, hodnotenie) Materiály pre žiaka (pracovné listy a ďalšie materiály, potrebné k realizácii aktivít) Tieto materiály sú transformované do národných jazykov a adaptované na národné kurikulum. Vyučovacia jednotka ZVUK zahŕňa v sebe sériu aktivít, usporiadaných do troch častí: Skúmanie zvuku, Zvuk strunových a dychových nástrojov, Ľudská reč (tab.2). Tab.2 Štruktúra vyučovacej jednotky ZVUK Aktivita Typ bádateľskej aktivity Aktivita Typ bádateľskej aktivity 1. ZVUK Skúmanie zvuku 1.1. Úvod do témy zvuk Interaktívna diskusia 1.6. Ako rýchlo sa zvuk šíri? Riadené objavovanie 1.2. Ako je zvuk tvorený? Riadené bádanie 1.7. Ako zvuk počujeme Riadené bádanie 1.3. Zviditeľnime zvuk Riadené bádanie 1.8. Ako hlasné je príliš hlasné? Riadené bádanie 1.4. Analýza hlasu človeka Riadené objavovanie 1.9. Čo ste sa naučili o zvuku? Interaktívna diskusia 1.5. Ako sa zvuk šíri? 2. ZVUK strunových a dychových hudobných nástrojov 2.1. Rezonancia Interaktívna demonštrácia/ Viazané bádanie 2.6. Stojaté vlny vo vzduchu; vzduchový stĺpec s uzavretým koncom Viazané bádanie 2.2. Základná frekvencia, basa Riadené objavovanie 2.7. Stojaté vlny vo vzduchu; soprán saxofón Riadené/Otvorené bádanie 2.3. Základná frekvencia, gitara Riadené bádanie 2.8. Farba zvuku Otvorené bádanie 2.4. Meldeho experiment Interaktívna 2.9. Rázy Otvorené bádanie demonštrácia 2.5. Vyššie harmonické frekvencie gitary Viazané bádanie 2.10.Ladenie gitary Viazané bádanie 3. ZVUK Ľudská reč 3.1. Zvukové záznamy Riadené bádanie 3.4. Analýza hlasu človeka Otvorené bádanie 3.2. Model tvorby ľudského hlasu Interaktívna diskusia 3.5. Syntéza hlasu človeka Otvorené bádanie 3.3. Analýza zvuku Riadené bádanie

151 Na aktivitách z témy ZVUK predstavíme jednotlivé úrovne bádateľských aktivít. 1. Interaktívna diskusia/interaktívna demonštrácia Pri interaktívnej diskusii učiteľ kladie otázky a riadi diskusiu riešiacu nejaký problém interaktívnym spôsobom. Pri interaktívnej demonštrácii žiaci tvoria predpovede, registrované učiteľom. Tie následne overujú experimentom realizovaným učiteľom, odpovedajú na učiteľove otázky, argumentujú a vyvodzujú závery na základe výsledkov experimentu, ktoré konfrontujú so svojimi predpoveďami. Aktivita Rezonancia: žiaci hľadajú odpoveď na otázku ako je možné ťažké teleso zavesené na lane rozkmitať fúkaním. Experiment riadi učiteľ, pričom zo stropu visí na lane ťažké teleso. Najskôr žiaci určia vlastnú frekvenciu kmitania využitím nástrojov počítačom podporovaného laboratória (senzor polohy meria výchylku, ktorá sa periodicky mení). Následne žiaci predpovedajú, ako je potrebné fúkať k dosiahnutiu maximálnej výchylky a svoje predpovede overujú sériou experimentov, ktoré realizuje učiteľ alebo žiaci pred celou triedou. Počas experimentu zaznamenávajú výchylku telesa ako aj frekvenciu fúkania (zaznamenávaním zvuku fúkania senzorom zvuku). Na základe výsledkov niekoľkých meraní žiaci v spolupráci s učiteľom sformulujú záver čo je rezonancia a kedy rezonancia nastáva. Časový záznam okamžitej výchylky kmitajúceho telesa, dĺžka merania 60s. Je možno vidieť, že fúkanie bolo ukončené približne v čase t=40s. Obr. 1 Ukážka interaktívnej demonštrácie 2. Riadené objavovanie Žiaci v tomto prípade experimentujú samostatne v skupinách, pričom postupujú podľa podrobných inštrukcií. Ide vo veľkej miere o overenie skôr nadobudnutých poznatkov experimentom ako pri tradičnom laboratórnom cvičení. Aktivita Ako rýchlo sa zvuk šíri: Žiaci pracujú v skupinách pri počítačoch na overení rýchlosti zvuku, pričom postupujú na základe podrobných inštrukcií v pracovnom liste. Senzor zvuku pritom detekuje zvuk vytvorený lúsknutím prstov pri otvore trubice a následne zvuk odrazený od jej uzavretého konca. Postup a analýza merania: Senzor zvuku umiestnite k otvoru trubice podľa obrázka. Spustite meranie. Lúsknite prstami pri otvore trubice. Na monitore počítača sa objaví graf. Prvé maximum odpovedá prvému zvukovému signálu a druhé maximum odrazenému signálu. Odčítajte z grafu príslušný časový interval. Určte vzdialenosť medzi prvým a druhým signálom. Určte rýchlosť zvuku. Obr.2 Ukážka inštrukcií v pracovnom liste a experimentálnej zostavy pre riadené objavovanie

152 3. Riadené bádanie Žiaci pracujú v skupinách, pričom, pričom učiteľ zadá problém s jasne formulovanými úlohami: Zisti..., Urči..., Popíš..., Nájdi... pričom neexistuje vopred daná odpoveď a závery sú založené na práci žiakov. Žiaci sú pritom vedení učiteľom, ktorý riadi ich činnosť menej detailnými inštrukciami, resp. otázkami. Aktivita Základná frekvencia, gitara: Určte ako závisí základná frekvencia struny gitary od jej dĺžky. Žiaci na tejto úlohe pracujú v skupinách, pričom merajú dĺžkovým meradlom dĺžku vybranej struny k príslušnému pražcu a odpovedajúcu základnú frekvenciu napr. zvukovým senzorom a dáta zaznamenajú do tabuľky. Namerané dáta analyzujú a fitovaním zistia, že ide o nepriamu úmernosť. Postup a analýza merania: Skracujte dĺžku struny postupným stláčaním pražcov a odmerajte základnú frekvenciu tónu, ktorý vydáva. Odmerajte dĺžku struny po jej skrátení. Údaje zaznamenajte do tabuľky. Meranie opakujte pre rozličné dĺžky struny. Zobrazte graf závislosti frekvencie od dĺžky. Zistite, aká je závislosť základnej frekvencie kmitania struny od jej dĺžky. Obr. 3 Ukážka inštrukcií z pracovného listu a výsledkov získaných meraním pre riadené bádanie 4. Viazané bádanie Od žiakov sa očakáva, že navrhnú a realizujú experiment na vopred stanovený problém formulovaný učiteľom s malou alebo žiadnou pomocou učiteľa. Takáto aktivita je náročná na realizáciu, žiaci už musia mať dostatok skúseností z realizácie predchádzajúcich typov aktivít. Aktivita Ladenie gitary: Existuje niekoľko spôsobov ladenia gitary. Jeden zo spôsobov je použiť harmonické frekvencie na strunách, ktoré sa nachádzajú vedľa seba. Iný spôsob je použiť rezonanciu medzi skrátenou strunou (ak položíme prst na niektorý pražec) a neskrátenou strunou, ktorá sa nachádza vedľa. 1. Popíšte rozličné spôsoby ladenia gitary. 2. Prezentujte tieto spôsoby ladenia svojim spolužiakom. Použite pritom video alebo fotografie. Obr.4 Ukážka inštrukcií z pracovného listu pre viazané bádanie 5. Otvorené bádanie Žiaci formulujú svoj vlastný výskumný problém v rámci daného kontextu a sami navrhnú experiment ako aj postup jeho realizácie. Aktivita Analýza hlasu človeka: v rámci témy zvuk žiaci skúmajú a analyzujú hlas človeka a získavajú predstavu o tom, čo je hlasová analýza, ako možno na základe vnímania hlasu identifikovať osoby, resp. aké sú ďalšie možnosti jej využitia. Môžu pritom formulovať vlastné výskumné otázky a zrealizovať v skupinách svoj vlastný experiment s použitím zvukového senzora, resp. zvukovej karty počítača s vhodným softvérom. Príklady výskumných otázok: Aký je rozdiel vo vyslovení rovnakej samohlásky, napr. a, e, u, mužom a ženou? Aký je rozdiel medzi tónom rovnakej výšky zahranom na hudobnom nástroji (napr. flaute) alebo keď rovnaký tón zaspieva človek? Aký rozdiel je pri vyslovení samohlásky a zaspievaním, so zapchatým nosom, šuškaním, a pod.? Aký je rozdiel v spievanom a, e, resp. u. Čo je typické pre každú z týchto samohlások? Obr. 4 Aktivita Analýza hlasu človeka na úrovni otvoreného bádania

153 Aplikácia metód aktívneho bádania vo vyučovaní Aktivity pripravené v rámci projektu ESTABLISH boli predstavené učiteľom fyziky a zaradené do vyučovacieho procesu v dvoch etapách. Vo februári 2011 boli základné myšlienky projektu ESTABLISH a metód aktívneho prírodovedného bádania predstavené 20 učiteľom gymnázií v rámci seminára na PF UPJŠ v Košiciach. Z tejto skupiny učiteľov 5 učiteľov (2 učitelia z Košíc, 3 mimo Košíc) testovalo aktivity témy ZVUK vo vyučovaní. V prvej etape išlo o pilotné overenie aktivít, kedy učitelia v období marec - jún 2011 zaradili 5 vybraných aktivít do výučby fyziky v 2.ročníku gymnázia. Pilotné testovanie poukázalo na ťažkosti pri aplikácii navrhnutých aktivít. Učitelia boli najprv veľmi pesimistickí v súvislosti s aplikáciou metód aktívneho bádania a žiackeho aktívneho prístupu k realizácii aktivít. Často učitelia reálne narážali na neochotu žiakov spolupracovať. Žiaci neustále očakávali pokyny učiteľa a pri realizácii aktivít s väčšou mierou žiackej samostatnosti často zlyhávali. Ukázali sa však aj rozdiely medzi školami, pričom na školách s vyšším počtom ambicióznych žiakov bolo možné realizovať aj aktivity s menšou mierou riadenia učiteľom. Bolo však zrejmé, že učitelia nie sú v tomto prostredí sebaistí, keďže ešte nemajú dostatok zručností súvisiacich s použitou metódou. Pilotné overenie poukázalo na nevyhnutnosť ďalšieho vzdelávania učiteľov v tejto oblasti. V období november 2011-február 2012 sa uskutočnilo intenzívne ďalšie vzdelávanie zamerané na metódu aktívneho prírodovedného bádania, za účasti 50 učiteľov fyziky, chémie, biológie (z toho 19 učiteľov fyziky) v rozsahu 4 popoludnia, resp. spolu 12 hodín. Učiteľom bola pritom podrobne predstavená metodika výučby, ktorú následne prostredníctvom workshopov trénovali a vybrané aktivity realizovali sami v roli žiaka. Dôraz bol kladený na rozvoj zručností pri kladení otázok a riadení činností žiakov, ktoré sú pri tomto spôsobe výučby veľmi dôležité. Následne 14 učiteľov fyziky implementovalo aspoň tri aktivity do vyučovania. Učitelia boli v tejto etape podstatne lepšie pripravení. V tomto prípade sme sledovali aj názory žiakov na takýto spôsob výučby, pričom žiaci zodpovedali postojové dotazníky po každej vyučovacej hodine, resp. po ukončení série aktivít. Žiaci vyslovili názor, že realizované aktivity boli pre nich zaujímavé a zábavné a aktivity považujú za užitočné a hodnotné. V oblasti komunikácie vyslovili názor, že majú často šancu hovoriť so spolužiakmi o tom, ako postupovať pri riešení úloh a problémov. Toto považujeme za pozitívny signál, keďže práve vzájomná diskusia so spolužiakmi je významným elementom aktívneho prírodovedného bádania. Po absolvovaní série aktivít dokonca vyslovili názor, že by mali radi viac hodín zameraných na prírodovedné predmety. V mnohých oblastiach zahrnutých do dotazníka (náročnosť prírodovedných predmetov, vzťah k prírodným vedám, rozhodovanie sa o kariére v oblasti vedy a techniky) po absolvovaní tohto spôsobu výučby nebol zaznamenaný žiadny posun. Taktiež názory žiakov nato, či konfrontujú obsah učiva s vlastnými predstavami zostali nezmenené. Táto otázka súvisí s tvorbou predpovedí a hypotéz, s čím zrejme žiaci počas realizácie aktivít nemali výraznú skúsenosť. Učitelia vyjadrili názor, že aktivity sú realizovateľné v našich podmienkach s tým, že najvyššie úrovne bádateľských aktivít (predovšetkým otvorené bádanie ale často aj viazané bádanie) je možné realizovať v štandardnej výučbe len sporadicky, s talentovanými žiakmi so zvýšeným záujmom o prírodné vedy. Záver V príspevku sme predstavili súčasné trendy vo vzdelávaní v prírodných vedách a aktivity medzinárodného projektu 7. rámcového programu ESTABLISH v tejto oblasti. V rámci projektu vytvorené výučbové materiály boli úspešne odskúšané v štandardnej výučbe na gymnáziu. Výsledky analýzy spätnej väzby učiteľov a žiakov poukázali na pozitívny postoj učiteľov k tomuto spôsobu výučby s výhradou aplikácie aktivít s najvyššou úrovňou bádania, ktoré sú v bežných podmienkach ťažko realizovateľné. Žiaci vyslovili pozitívny postoj k realizovaným aktivitám, aj keď mnohé žiacke názory smerom k prírodným vedám a výberu kariéry v oblasti prírodných vied

154 a techniky zostali aj po výučbe nezmenené. V oblasti prírodovedného bádania a napĺňania cieľov vzdelávacieho programu, ktorých súčasťou je prírodovedné bádania sa urobil veľký posun v príprave učiteľov pre takýto spôsob výučby, čo je najdôležitejším predpokladom reálneho využívania týchto metód v praxi. Poďakovanie Príspevok vznikol ako súčasť riešenia projektu ESTABLISH. Literatúra Štátny vzdelávací program Fyzika, Príloha ISCED 3, dostupné na < Linn, M.C., Davis, E., A., Eylon, B., S.: The scaffolded knowledge integration framework for instruction, Zdroj: Linn, M.C., David, E.A., Bell, P.: Internet environments for science education, 2004, Lawrence Erlbaum Associates: Mahwah, NJ, Ash, D. et al.: Inquiry Thoughts, Views and Strategies for the K-5 Classroom. Foundations: A monograph for professionals in science, mathematics and technology education June 2003, dostupné na < Wenning, C.: Levels of Inquiry: Hierarchies of pedagogical practices and inquiry processes Journal of Physics Teacher Education Online, 2(3), 3-11 Projekt ESTABLISH, dostupné na < Adresa autorov Zuzana Ješková, Marián Kireš Prírodovedecká fakulta UPJŠ Košice Jesenná Košice zuzana.jeskova@upjs.sk, marian.kires@upjs.sk Ewa Kedzierska, CMA, Amsterdam, Holandsko ewa@cma-science.nl

155 PREKONAJME SAMI SEBA Marián Kireš 1, Zuzana Ješková 1, Claudio Fazio 2 1 Oddelenie didaktiky fyziky ÚFV PF UPJŠ v Košiciach 2 Universita degli Studi Di Palermo Abstrakt: V príspevku sú predstavené bádateľsky orientované vzdelávacie aktivity podľa rôznej úrovne samostatnej práce žiaka. V námetoch sú ozrejmené netradičné fyzikálne merania, pozorovania a bádania, pri ktorých je dôraz kladený na rozvíjanie vybraných prvkov vedeckej gramotnosti študenta. Vzhľadom na nevyhnutnú časovú dotáciu pre realizáciu fyzikálnych experimentov, autori poukazujú najmä na potrebu zmeny myslenia učiteľov fyziky vo vzťahu k cieľovým požiadavkám a zámerom kurikulárnej transformácie. Predstavené metodiky aktívneho žiackeho fyzikálneho poznávania spolu s pilotnými výsledkami z výučby prezentujú prínos a opodstatnenosť ich využívania v školskej praxi. Kľúčové slová: bádateľsky orientované aktivity, fyzikálny experiment, učiteľ fyziky Hovoríme o potrebe inovácie Náš každodenný život je silne ovplyvnený modernými technológiami. Pomerne rýchlo sme si zvykli, alebo si zvykáme na využívanie digitálnych informácií, on-line systémov, meníme zaužívané štýly komunikácie a výmeny informácií, stávame sa súčasťou informačnej spoločnosti. Ťažisko našich skúseností a rokmi získaných vedomostí má však svoje korene v dobe "analógovej". Súčasné moderné technológie sa síce pomerne rýchlo presadzujú v oblasti vzdelávania, avšak my sme priamo postavený do role "moderných" učiteľov, bez predchádzajúcej vlastnej skúsenosti so vzdelávaním v modernej škole, ako aj mimo nej. Častokrát zvykneme porovnávať, hľadať analógie, opierať sa o množstvo pozitívneho, čo predchádzajúci vzdelávací systém bezpochyby mal. Akoby sme nechceli pripustiť, že nastala tak výrazná zmena podmienok v oblasti vzdelávacích potrieb a možností, ktorej kozmetické zmeny v prístupe k vzdelávaniu nepomôžu. Pokiaľ máme chuť pripravovať našich študentov pre život v informačnej spoločnosti, je nevyhnutné, aby sme prekonali najmä sami seba. Kurikulárna reforma svojim zámerom, cieľmi a víziou určila správny smer. Podľa stanovených cieľov (1) má byť žiak základnej školy schopný na konci vzdelávania napr.: vedieť pripraviť, uskutočniť aj vyhodnotiť jednoduchý fyzikálny experiment, vedieť získavať, triediť, analyzovať a vyhodnocovať informácie vedieť vysvetliť na primeranej úrovni prírodné javy v bezprostrednom okolí a vedieť navrhnúť metódy testovania hodnovernosti vysvetlení. osvojiť si a rozvíjať schopnosť cielene experimentovať, lebo experiment je jednou zo základných metód aktívneho poznávania vo fyzike. Ak nadviažeme cieľmi určenými pre študentov gymnázia (1), môžeme len uvítať, ak študent gymnázia má na báze aktívneho poznávania na konci vzdelávania byť schopný napr.: vysloviť problém vo forme otázky, ktorá môže byť zodpovedaná experimentom, formulovať hypotézy, testovať hypotézy, plánovať vhodný experiment, naznačiť záver konzistentný s pozorovaním, komentovať chyby merania, naznačiť validitu záverov, vyhodnotiť celkový experiment včítane použitých postupov

156 Mnohé z týchto cieľov je však potrebné vidieť v širšom kontexte. Ich dosiahnutie nechápeme z úzkeho pohľadu vedeckého prístupu k poznávaniu. Je potrebné vidieť ich využitie pri riešení nových problémov, ktoré budú pred našich absolventov postavené v budúcnosti. Ak hovoríme o potrebe zmien vo vzdelávaní, opierame sa najmä o širšie využívanie aktívneho poznávania, ktoré kladie dôraz na rôzne úrovne samostatnej práce študenta a konceptuálne pochopenia podstaty osvojovaných pojmov a javov. Výučba má byť orientovaná dominantne na prácu študenta, jeho zvládanie jednotlivých aktivít a rozvíjanie kompetencií. Úlohou učiteľa má byť najmä navodzovanie vzdelávacích potrieb u žiakov, mapovanie a využívanie aktuálnych vedomostí pre získavanie nových zručností a osvojovanie poznatkov, usmerňovanie študentov počas vzdelávacích aktivít a pomoc pri formulácii záverov a spôsobe spracovania a prezentácie získaných informácií. Musíme si ako učitelia uvedomiť, že naše dominantné postavenie a takmer informačný monopol sú už dávno minulosťou, našťastie. Hľadáme námety pre inovatívne vyučovanie Pri hľadaní námetov na inovatívne vyučovanie, ktorými by sme dokázali riešiť aktuálne didaktické problémy je vhodné sledovať renomované didaktické časopisy, zborníky z konferencií zameraných na podporu prírodovedného vzdelávania, webové portály združení a podujatí propagujúcich postavenie vedy a prírodovedného vzdelávania v spoločnosti ako aj webové stránky pracovísk pripravujúcich budúcich učiteľov. Spomedzi množstva on-line informačných zdrojov dávame do pozornosti študentom veľmi dobre známy Youtube, kde je zaujímavá napr. kolekcia Best of physics education (Obr.1.). Obr. 1: Ukážky z kolekcie Best of Physics education Súčasťou kontinuálneho vzdelávania učiteľov fyziky by malo byť pravidelné sledovanie obsahu didakticky orientovaných časopisov ako sú: The Physics teacher, Physics education, Science in School, resp. slovenských časopisov: Obzory matematiky, fyziky a informatiky, Fyzikálne listy, MIF. Webové portály združení typu: Science on Stage Europe a Hands on Science ponúkajú množstvo podnetných nápadov pre učiteľov. Ich on-line dostupnosť, aktuálny obsah s možnosťou vyhľadávania konkrétneho obsahu, jednoduchosť zdieľania a používania vo vzdelávaní iste výraznou mierou usmernia naše vzdelávacie aktivity. Ak sa však detailnejšie pozrieme na ponúkané materiály, môžeme aktuálne konštatovať: máme obrovský súbor rôznorodých podnetov, bez vytvoreného uceleného systému, dominuje demonštrácia fyzikálneho javu, chýba dôraz na žiakov poznávací proces, dominuje snaha o vzbudenie záujmu, prekvapivý efekt, bez dôrazu na osvojovanie poznatkov,

157 ťažisková je orientácia na fyzikálny obsah, chýbajú návody pre prácu žiakov, metodické pokyny pre učiteľov, nízky záujem o didaktický výskum v oblasti inovatívneho vzdelávania, nedostatočné preukázanie prínosu využívania inovatívnych námetov vo vzdelávaní, chýba prepojenie na vyučovacie metódy. Práve akoby odtrhnutosť od konkrétnych inovatívnych vyučovacích metód, resp. nízka naviazanosť na zásady pedagogickej práce učiteľa, sú charakteristickým prvkom aktuálne dostupného vzdelávacieho obsahu. Akoby sme podľahli reklamnému ošiaľu, marketingovým trikom, vonkajšiemu obalu. Nízky dôraz na sledovanie reálneho dopadu inovatívnych námetov na poznanie študenta privádza mnohých učiteľov keď aj napriek realizácii množstva pútavých aktivít, len ťažko preukážu reálnosť vzdelávacích výsledkov. Bádateľsky orientované vyučovanie fyziky Našim východiskom pre riešenie chýbajúceho záberu vzdelávacích aktivít je využívanie interaktívnych metód známych pod označením: Inquiry based science education (Vzdelávanie v prírodných vedách založené na aktívnom žiackom bádaní (2), resp. Bádateľsky orientované prírodovedné vzdelávanie). Bádanie z pohľadu žiaka predstavuje zámerný proces spojený s: rozpoznaním problému, návrhom vhodných experimentov a posúdením alternatívnych možností, plánovaním postupu skúmania, tvorbou hypotéz a ich overovaním vyhľadávaním informácií, tvorbou modelov, diskusiou so spolužiakmi, a formulovaním logických argumentov. V rámci riešiteľského kolektívu projektu Establish (3) využívame definovanú hierarchiu bádateľských aktivít: Interaktívna diskusia/interaktívna demonštrácia, Riadené objavovanie, Riadené bádanie, Viazané bádanie, Otvorené bádanie. Aktivity majú stupňujúcu úroveň samostatnej poznávacej činnosti žiaka. Ich zaradenie do vyučovania je na rozhodnutí učiteľa, poznajúceho aktuálny stav zručností svojich žiakov. Nie je našim cieľom spracovávať v uvedenej hierarchii celý obsah tematických celkov podľa učebných osnov. Snažíme sa vyberať vzdelávacie aktivity, ktoré by vhodne formovali rozvíjanie vybraných bádateľských zručností na vybranom obsahu. Pre osvojenie uceleného vzdelávacieho obsahu sú popri bádateľských aktivitách odporúčané aj ďalšie, povedzme klasické vyučovacie metódy. Čo nás iste osloví V spolupráci s partnermi v rámci projektu Establish sme popri spracovaní tém Zvuk a vytvorení materiálov k téme Elektrické obvody s jednosmerným prúdom, pripravili aj národnú adaptáciu materiálov k téme Nízkoenergetický dom. Materiály pozostávajú z metodickej časti pre učiteľa a pracovných listov pre žiakov. Spracované materiály pokrývajú nasledovnú problematiku: 1. Testovanie modelu domu (Ako udržíme teplo v dome? Rozloženie teploty v dome. Vplyv slnečného žiarenia na model domu.) 2. Šírenie tepla vedením (Topenie ľadu na rôznych povrchoch. Meranie izolačných vlastností rôznych materiálov.) 3. Šírenie tepla prúdením (Sledovanie prúdenia. Skúmanie rôznych typov prúdenia) 4. Šírenie tepla sálaním (Postavme si vlastný rádiometer. Ožarujeme telesá rôznych farieb. Vyžarovanie horúcich a studených telies. Infračervená fotografia.)

158 Surface temperature Senzor sensor teploty Obr. 2. Ukážka aparatúry z pracovných listov k téme Nízkoenergetický dom Ako ukazujú prvotné diskusie s učiteľmi gymnázií a skúsenosti našich partnerov, stretávame sa s viacerými problémami, pri adaptácii vytvorených materiálov. Uvádzame charakteristické postrehy učiteľov: "Tému šírenie tepla vôbec nepreberáme.", "Na celú tému vieme vyčleniť jednu, najviac ak dve vyučovacie hodiny.", "S celou triedou nie sme schopní realizovať uvedené aktivity.", "Chýba potrebné technické vybavenie, v lepšom prípade máme najviac ak jednu zostavu k demonštračným experimentom.", "Príliš veľa času by sme sa venovali činnostiam, pri ktorých sme žiaka nič nenaučil ". "Ak by sme rovnako veľa času venovali výkladu, preberieme podstatne viac učiva.", "Žiak si neosvojí množstvo faktov, ktoré sme zvykli preberať k uvedenej téme. ", "Neviem ako preukážeme a dokážeme, čo sme žiakov naučili?". Aj napriek snahe o poskytnutie metodicky prepracovaného materiálu postaveného na báze objaviteľských vzdelávacích aktivít, spracovaniu aktuálnych problémov so silným motivačným charakterom pre žiakov, nie je nasadenie v podmienkach dnešnej školy jednoduché. Prekonajme sami seba Uvedomujeme si, že popri systémových zmenách vo vzdelávacej sústave, budovaniu vhodných materiálnych podmienok na objaviteľsky orientované vzdelávanie, stále z nášho pohľadu kľúčovú úlohu zohráva učiteľ, ktorý si uvedomuje vážnosť aktuálneho stavu a potreby, ktorých napĺňanie je otázkou jasne deklarujúcou význam prírodovedného vzdelávania pre informačnú spoločnosť. Uvedomujeme si, že s dostupnosťou informácii narastá význam informálneho vzdelávania, ktorého potenciál je nevyhnutné využiť najmä v oblasti budovania a rozvíjania prvotných poznatkov žiakov. Vzhľadom na aktuálny rozsah dostupných poznatkov, nie je možné zameriavať sa na príliš široký záber poznatkov, je nutné sústrediť pozornosť na čo možno najdokonalejšie osvojenie si nosných problémov. Dbáme na pochopenie podstaty vybraných pojmov a javov a rozvinutie schopnosti osvojovať si nadväzujúce poznatky vlastnou poznávacou činnosťou. Základom vzdelávania sa stáva aktívna práca žiaka počas osvojovania poznatkov a budovania zručností. Obsah vzdelávania sa stáva prostriedkom, umožňujúcim dosiahnutie výsledného cieľa, ktorým sú potrebné žiakove zručnosti. Je nevyhnutná spolupráca v rámci výučby všetkých predmetov pri formovaní žiakových poznávacích schopností. Bude našim obrovským úspechom, ak vybudujeme pozitívny vzťah k vede. Poďakovanie Príspevok vznikol ako súčasť riešenia projektu ESTABLISH a projektu APVV LPP Veda na scéne Slovensko. Literatúra [1] Štátny vzdelávací program Fyzika, Prílohy ISCED 2, 3, dostupné na < [2] Linn, M.C., Davis, E., A., Eylon, B., S.: The scaffolded knowledge integration framework for instruction, Zdroj: Linn, M.C., David, E.A., Bell, P.: Internet environments for science education, 2004, Lawrence Erlbaum Associates: Mahwah, NJ, [3] Projekt ESTABLISH, dostupné na <

159 Adresa autorov doc. RNDr. Marián Kireš, PhD., doc. RNDr. Zuzana Ješková, PhD. Oddelenie didaktiky fyziky ÚFV Prírodovedecká fakulta UPJŠ v Košiciach Jesenná 5, Košice marian.kires@upjs.sk, zuzana.jeskova@upjs.sk Assoc. prof. Claudio Fazio, PhD. Universita degli Studi Di Palermo Piazza Marina Palermo, ITALY claudio.fazio@unipa.it

160 POČÍTAČOM PODPOROVANÉ EXPERIMENTY S PODPOROU SYSTÉMU ISES V PRÍRODOVEDNOM VZDELÁVANÍ Michaela Kostelníková, Lukáš Tkáč Katedra fyziky, Pedagogická fakulta,trnavská univerzita v Trnave Abstrakt: Príspevok prezentuje laboratórny systém ISES (Inteligentný školský experimentálny systém), ktorý umožňuje pomocou rôznych modulov (meracích prístrojov) a experimentálnej aparatúry zostaviť počítačom podporované experimenty nielen z fyziky, ale aj z chémie, biológie či environmentálnej výchovy. Okrem záznamu experimentálnych dát príspevok prezentuje možnosti využitia softvéru ISES, s ktorým je možné namerané dáta spracovať a pomocou matematických funkcií jednoducho vyhodnotiť. V článku je taktiež prezentovaná séria jednoduchých experimentov využiteľných v prírodovednom vzdelávaní na základnej, strednej, prípadne vysokej škole. Kľúčové slová: systém ISES, počítačom podporované experimenty, prírodovedné vzdelávanie Úvod S príchodom nového školského zákona, ktorý vstúpil do platnosti v roku 2008, sa museli učitelia prírodných vied vyrovnať s radikálnym oklieštením počtu vyučovacích hodín prírodovedných predmetov (fyzika, chémia, biológia). Logickým dôsledkom tohto zásahu, a takpovediac akousi obranou vyučujúcich sa stalo, že v rámci úspory času sa rozhodli pre radikálne riešenie obmedziť, resp. úplné vynechať experimentálne činnosti na svojich hodinách. Vo výskume uskutočnenom na veľkej vzorke respondentov z maturitných ročníkov sa zistilo, že až 62 % študentov sa na hodinách fyziky stretlo s experimentom len zriedkavo. [1]. Ak sa na hodinách experimentuje, zväčša sa jedná len o demonštračné experimenty, ktorých účinnosť spočíva v tom, že študentom dokážu existenciu určitého javu reálneho sveta, resp. môžu tento jav vizualizovať. Čo však v prípade, že chceme dokázať nielen existenciu javu, ale aj platnosť matematickej formule, ktorá daný jav kvantifikuje? V tomto prípade musíme nutne pracovať s experimentom, ktorý nám sprostredkúva aj výstup experimentálnych dát. Klasické laboratórne cvičenia, ktoré boli donedávna nutnou súčasťou výučby fyziky, tieto dáta sprostredkúvali, avšak ich zjavnými nevýhodami boli: časová náročnosť zberu dát; prítomnosť chýb merania spôsobených činnosťou experimentátora; nízky motivačný faktor pre študentov (tieto cvičenia pôsobili skôr ako strašiak, nakoľko študentom hrozila zlá známka v prípade nesprávnych výsledkov, z nedôsledného dodržania postupu apod.). Práve preto sa na trhu objavili rôzne systémy, ktoré do škôl priniesli možnosť zostavovania počítačom podporovaných experimentov, ktoré eliminujú prvé dve z uvedených nevýhod klasických laboratórnych cvičení. Navyše, využitie počítačov v ktoromkoľvek vyučovacom predmete či v ľubovoľnej fáze edukačného procesu, študentov ešte stále dokáže dostatočne motivovať k tomu, aby sa tieto činnosti stali pre nich obľúbenými a zmysluplnými. Predložený príspevok predstavuje systém ISES, ktorý umožňuje zostavovať rozmanité prírodovedné počítačom podporované experimenty a na konkrétnych príkladoch jednoduchých fyzikálnych experimentov demonštruje možnosti jeho využitia. 1 Systém ISES (Inteligentný školský experimentálny systém) Experimentálny systém ISES (Obr. 1) predstavuje výkonný prostriedok, ktorý umožňuje realizovať reálne počítačom podporované experimenty (fyzikálne, chemické, biologické a ďalšie) na báze viac

161 ako 40 rôznych hardvérových komponentov. Softvér ISES následne umožňuje ich priebeh a výsledky monitorovať, spracovávať a prípadne aj riadiť prostredníctvom počítača [2]. Obr. 1: Systém ISES: v popredí hardvér interfejsová doska, ISES panel a jednotlivé moduly, na monitore ukážka softvéru ISES Hardvér systému pozostáva z interfejsovej dosky, ovládacieho panelu (so štyrmi vstupnými a dvoma výstupným kanálmi vo verzii Professor ) a modulov. Modul je vlastne merací prístroj, ktorý meria danú fyzikálne veličinu. Túto nameranú veličinu (teplotu, polohu, tlak atď.) transformuje na napätie tak, aby bolo možné merať tieto veličiny prostredníctvom systému ISES [3]. Moduly môžeme rozdeliť na vstupné (napr. V-meter, A-meter, teplomer, potenciometer atď.) a výstupné (booster, relé, reproduktor). Systém je vybavený autodetekciou modulov, čo v praxi predstavuje ľahkú manipuláciu s tými to modulmi. Po zasunutí modulu do ovládacieho panelu systém ihneď rozpozná typ modulu a aj rozsah stanovený užívateľom. Namerané dáta umožňuje softvér ISES zobrazovať analógovo alebo digitálne. Výsledný signál zobrazený na obrazovke monitora je získaný buď z dát nameraných modulmi a ich kombináciou, alebo výpočtom. Program umožňuje okrem zobrazovania dát aj ich spracovanie (napr. integrovať, derivovať, aproximovať, určiť frekvenciu výskytu apod.) [4]. Samozrejme, že je možné dáta aj exportovať pre ich spracovanie v inom softvéri. Vďaka veľkému počtu modulov, ktoré majú užívatelia k dispozícii, je možné vytvárať širokú paletu prírodovedných experimentov. V nasledujúcej časti predstavíme návrh niekoľkých fyzikálnych experimentov a zároveň prezentujeme možnosti softvéru ISES v oblasti spracovania dát. 2 Počítačom podporované experimenty Mechanika 2. Newtonov zákon Moduly: dynamometer, potenciometer Funkcie softvéru: derivácia, preloženie grafu funkciou Na demonštráciu 2. Newtonovho zákona sme použili aparatúru zobrazenú na Obr. 2. Tá nám umožňuje skúmať okamžitú polohu ako funkciu času dvomi modulmi potenciometrom a sonarom. Kým potenciometer funguje na princípe zmeny odporu, sonar detekuje polohu s využitím ultrazvukového a infračerveného signálu

162 Obr. 2: Experimentálna aparatúra na overovanie 2. Newtonovho zákona (1 ISES panel, 2 doska experimentu, 3 potenciometer, 4 sonar (prijímač), 5 pohybujúci sa kváder so sonarom (vysielač), 6 závažie) [5] Experiment funguje na jednoduchom princípe závažie (č. 6 na Obr. 2), ktoré je prepojené s dreveným kvádrom niťou, začne padať, čo zapríčiní pohyb kvádra so sonarovým vysielačom. V tej chvíli sa rovnako začne otáčať koliesko potenciometra. Softvér ISES tak zaznamenáva dva údaje o okamžitej polohe z potenciometra a zo sonaru. Pre názornú demonštráciu funkcií softvéru ISES uvádzame ukážkovo spracovaný signál z potenciometra (Obr. 3). Študenti získanú závislosť okamžitej polohy ako funkcie času časť paraboly preložia polynomickou funkciou druhého rádu (na preloženie sme najprv na krivke označili niekoľko bodov, ktorými sa viedla funkcia). Z rovnice tejto krivky si môžu určiť zrýchlenie, s akým sa závažie pohybovalo (udáva ho dvojnásobná hodnota koeficientu pri kvadratickom člene). Zároveň dané zobrazenie môžu zderivovať a vzniknutá krivka (č. 4) určuje okamžitú rýchlosť závažia až na malé výkyvy je to lineárna funkcia. Experiment študentom ďalej umožňuje určovať koeficient šmykového trenia a tiež poskytuje možnosť skúmať pohyb po naklonenej rovine. Obr. 3: Spracovanie merania v systéme ISES (1 signál z merania preložený parabolou, 2 funkcie Preloženie krivky funkciou a Derivácia zobrazenia, 3 - rovnica krivky, 4 derivácia krivky) Pohyb po kružnici Moduly: optická závora Funkcie softvéru: odčítanie frekvencie Pri skúmaní pohybu po kružnici (Obr. 4) možno využiť koleso bicykla, na ktoré sa pripevnia dve zarážky na zaznamenanie prechodu kolesa cez optickú bránu. Tá reaguje na prerušenie optickej

163 dráhy, pričom v programe sa neprerušená optická dráha zobrazuje hodnotou 1 hodnotou 0. a prerušená Obr. 4: Pohyb po kružnici (1 optická závora, 2 koleso bicykla, 3, 4 zarážky na zaznamenanie prechodu) Na zvolenom intervale otáčania kolesa, v rámci ktorého považujeme pohyb za rovnomerný, študenti môžu pomocou funkcie Režim odčítania frekvencie určiť polovičnú hodnotu frekvencie otáčania kolesa (vzhľadom na to, že boli použité dve zarážky), a to jednoduchým potiahnutím kurzora od prvého signálu po posledný (Obr. 5). Obr. 5: Spracovanie merania v softvéri ISES (1 prechody zarážok optickou závorou, 2 modrá čiara znázorňujúca interval, v ktorom bola použitá funkcia Režim odčítania frekvencie, 3 tlačidlo tejto funkcie, 4 výpočet polovičnej hodnoty frekvencie otáčania kolesa) Termodynamika Kalorimetrická rovnica Moduly: teplomer

164 Funkcie softvéru: digitálne zobrazenie signálu Na prevedenie tohto experimentu stačí len termoska, rýchlovarná kanvica na zohriatie vody a modul teplomer. Postup je obdobný ako pri klasickej demonštrácii výmeny tepla v kalorimetri, výhodou pri použití systému ISES je len presnejšie odčítanie hodnôt teplôt v prípade, že využijeme funkciu softvéru na zobrazenie dát v digitálnej podobe. Joulov pokus Moduly: optická závora, teplomer Funkcie softvéru: odčítanie frekvencie Na Obr. 6 je zobrazená experimentálna aparatúra, pomocou ktorej možno rekonštruovať historický experiment Joulov pokus ktorý skúma disipatívne sily. Kým Joule ohrieval vodu, v tomto prípade dochádza k ohrevu kovového valčeka, na ktorý je navinutý gumový popruh. Experimentálne sa skúma závislosť zmeny teploty valčeka od počtu jeho otočení (teda od vykonanej práce) [6]. Obr. 6: Experimentálne usporiadanie Joulovho pokusu (1 silomer, 2 optická závora a teplomer, 3 kovový valček a gumový popruh, 4 - motorček) Kmity Tlmený pohyb Moduly: dynamometer Funkcie softvéru: preloženie grafu funkciou Pomocou pružiny a závažia študenti vytvoria tlmený oscilátor. Kmitanie závažia na pružine časom ustane dôsledkom tlmenia. Študenti majú za úlohu určiť veľkosť tlmenia na základe rovnice tlmenia, kde signál z dynamometra preložia exponenciálnou funkciou a vyjadria koeficient útlmu b

165 Jednoduché kyvadlo Moduly: optická závora Funkcie softvéru: odčítanie frekvencie Tento experiment je veľmi jednoduchý na realizáciu potrebujeme len niť a závažie, ktorého kmitavý pohyb budeme zaznamenávať pomocou modulu optická závora (podobne ako pri experimente Pohyb po kružnici). Pomocou funkcie odčítanie frekvencie určíme frekvenciu kyvov kyvadla. Zároveň tak pred študentmi konfrontujeme pojmy kyv a kmit. Pri použití dostatočne dlhej nite, a za podmienky začiatočnej výchylky φ < 5 môžeme zhotovené kyvadlo považovať za matematické (bližšie pozri [7]). V tom prípade pri dostatočne dlhom meraní môžu študenti určovať hodnotu tiažového zrýchlenia pre danú lokalitu. Elektrina a magnetizmus Vnútorný odpor batérie Moduly: V-meter, A-meter, zdroj napätia Funkcie softvéru: krokové meranie, výstupné napätie Základnými charakteristikami zdroja elektromotorického napätia je jeho elektromotorické napätie ε a vnútorný odpor R i. Závislosť svorkového napätia zdroja U sv na prechádzajúcom prúde I študenti využijú pre stanovenie elektromotorického napätia ε a vnútorného odporu R i porovnaním s lineárnou závislosťou bodov získaných z merania. Pre určenie potrebujú zostaviť jednoduchú schému zapojenia z Obr. 7a). Na Obr. 7b) je technické prevedenie daného experimentu. (1)(2) (3) (4) a) b) Obr. 7: a) Schematické zapojenie experimentu, b) experimentálne usporiadanie experimentu Vnútorný odpor batérie (1 V-meter, 2 A-meter, 3 jednosmerný zdroj napätia, 4 odporová dekáda) RLC oscilátor Moduly: V-meter, A-meter, zdroj harmonického napätia Funkcie softvéru: rozmetač frekvencie V danom experimente sa študenti oboznamujú s pojmami ako je rezonančný RLC obvod, rezonancia, prenos výkonu. Zapojenie obvodu daného experimentu je opäť veľmi jednoduché, pozostáva z rezistora, kondenzátora, indukčnosti a zdroja harmonického signálu (Obr. 8a). Študenti majú za úlohu meniť frekvenciu výstupného signálu zo zdroja harmonického napätia a následne vyniesť do grafov závislosti maximálnej amplitúdy prúdu od frekvencie a fázového rozdielu medzi napätím a prúdom taktiež od frekvencie. Rezonančnú frekvenciu môžu rovnako určiť aj pomocou funkcie rozmetač frekvencie kedy systémom ISES možno lineárne meniť frekvenciu výstupného signálu v danom intervale (napr Hz) (Obr. 9). Technické prevedenie experimentu je na Obr. 8b)

166 a) b) Obr. 8: a) Schematické zapojenie experimentu, b) experimentálne usporiadanie experimentu RLC oscilátor Obr. 9: Spracovanie merania v softvéri ISES (zhora graf 1 úroveň napätia vstupného signálu, graf 2 prúd prechádzajúci obvodom, graf 3 napätia merané na odpore R, graf 4 výkon dodávaný do obvodu) Záver V predloženom príspevku sme prezentovali možnosti vytvárania jednoduchých i náročnejších počítačom podporovaných experimentov prostredníctvom systému ISES v rôznych oblastiach fyziky. Zároveň sme ukázali niektoré z funkcií softvéru ISES, ktorý môže slúžiť nielen na zber experimentálnych dát, ale aj pre ich vyhodnocovanie na úrovni derivovania, integrovania, násobenia signálu, aproximovania funkcií, určenia frekvencie apod. Medzi výhody využívania tohto systému môžeme zaradiť nasledovné: veľká variabilita experimentov vďaka množstvu modulov, ktoré sú k dispozícii;

167 možnosť vytvárať experimenty nielen z fyziky, ale napr. aj z: o biológie monitorovanie vtáčích hniezd, meranie činnosti srdca; o chémie elektrochemický článok, fotovoltaický článok; o environmentálnej výchovy monitorovanie prostredia (teplota a tlak vzduchu, rádioaktívne pozadie apod.); jednoduchá manipulácia s hardvérom i softvérom automatická detekcia modulov, označovanie osí apod.; možnosť vyhodnocovania dát priamo v programe; podpora medzipredmetových vzťahov prírodné vedy, matematika, informatika. Literatúra [1] TKÁČ, L. SCHAUER, F Prvé Slovenské internetové vzdialené prírodovedné e- laboratórium a pohľad študentov na vyžívanie experimentov na hodine fyziky. In Poznatky modernej fyziky a ich aplikácia do vyučovania fyziky. Ružomberok : Verbum, ISBN , s [2] ISES Školní experimentální systém, uživatelská příručka MENTAR s.r.o.& PC IN/OUT, [3] Školní experimentální systém ISES [online] [cit ]. Dostupné na Internete: < [4] SCHAUER, F. OŽVOLDOVÁ, M. LUSTIG, F Intelligent School Experimental System (ISES) for computer based laboratories in physics, In Innovations 2009 (USA), World Innovations in Engineering Education and Research ineer Special Volume [5] MAJERČÍK, P Experiment podporovaný počítačom : diplomová práca. Trnava : PdF TU, 2010, 64 s. [6] KRÁTKA, Z Disipatívne sily v mechanike na príklade Joulovho pokusu : bakalárska práca. Trnava : PdF TU, 2011, 45 s. [7] SCHAUER, F. MAJERČÍK, P Real Interactive Pendulum Experiment With Data Collection and Transfer Across Internet. In Multimedia in Physics Teaching and Learning [online]. Udine : Litho Stampa [cit ]. Dostupné na Internete: < Adresa autorov Mgr. Michaela Kostelníková, Mgr. Lukáš Tkáč Katedra fyziky PdF Trnavskej univerzity Priemyselná Trnava zovinova.michaela@centrum.sk, tkac.lucas@gmail.com

168 VYUŽITIE DYNAMICKÉHO GEOMETRICKÉHO PROGRAMU COMPASS AND RULER (C.A.R.) VO VYUČOVANÍ FYZIKY NA ZÁKLADNÝCH A STREDNÝCH ŠKOLÁCH Katarína Krišková Katedra fyziky FPV UMB,Banská Bystrica Abstrakt: Príspevok sa zameriava na možnosti využitia dynamického geometrického programu Compass and Ruler (C.a.R.) pri tvorbe appletov, ktoré je možné využiť vo vyučovaní fyziky na základných a stredných školách. Pomocou daného programu si dokáže učiteľ vytvoriť jednoduché applety, aj bez zručností v programovaní. Vytvorené applety je možné zverejniť v HTML formáte, čo umožňuje ich spustenie bez inštalácie daného programu. V príspevku budú prezentované vytvorené applety z oblasti optiky. Applety sú využiteľné aj pri práci s interaktívnou tabuľou. Kľúčové slová: C.a.R, applety, optika Úvod Vo fyzike sa často využívajú rôzne simulácie a applety. Tieto nahrádzajú pokusy javov, ktoré trvajú príliš krátko, alebo naopak dlho, alebo sa nedajú v daných podmienkach zrealizovať. Applety a simulácie sa využívajú aj vtedy, keď na realizáciu daného pokusu nemáme dostatok pomôcok. Hlavne na základnej škole by mala fyzika mať viac experimentálny ako teoretický charakter. Je však ťažké zabezpečiť dostatočný počet funkčných pomôcok na pokusy, s ktorými by mohli žiaci pracovať. V takomto prípade môžeme na hodine využiť rôzne idealizované a zjednodušené modely skúmaného javu. Applety navyše poskytujú možnosti skúmania javu, ktoré sa pri reálnom experimente nedajú uskutočniť. Aj keď sa jedná o zjednodušený pohľad na skúmaný jav, majú tieto vo vyučovaní svoje opodstatnenie. Program C.a.R. Dynamický program Compass and Ruler (C.a.R.) je voľne dostupný program, ktorý sa dá využiť nielen na hodinách matematiky. Daný program je ľahko ovládateľný. V programe sa dajú rysovať rôzne geometrické úlohy a konštrukcie. So svojim relatívne jednoduchým používateľským rozhraním s ním môžu narábať aj používatelia, ktorí sa s takýmito programami ešte nestretli. Program pri rysovaní, ako to už z jeho názvu vplýva, využíva základné pomôcky a nástroje pravítko a kružidlo. Navyše ponúka aj možnosti posuvných tlačidiel, či animácie obrazu. Tieto a mnohé iné funkcie, ktoré program ponúka, môžeme využiť nielen na rysovanie základných geometrických útvarov, ale aj na zložitejšie konštrukcie, ktoré využívajú dynamické prvky. Jedným z príkladov využitia programu je vytváranie rôznych animácií a appletov. Výhodou programu C.a.R. je export vytvoreného appletu do HTML formátu. Toto umožňuje, aby používatelia, ktorí nemajú nainštalovaný spomínaný program, mohli tieto applety spustiť. Podmienkou na spustenie daného programu, ako aj v ňom vytvorených appletov, je program Java, ktorý musí byť nainštalovaný na počítači. V adresári, v ktorom sa nachádza applet vo formáte programu C.a.R. a v HTML formáte, musia byť aj tri pomocné súbory, ktoré zabezpečujú správne zobrazenie a funkčnosť HTML appletu. Vytvorenie appletov Jednou z vlastností appletov vytvorených v programe C.a.R. je ich jednoduchosť, ktorá redukuje skúmaný jav v čo najväčšej miere s cieľom poukázať na jeho základné aspekty. Niekedy to ale nemusí byť na škodu, nakoľko sa žiaci zamerajú na podstatu a základ demonštrovaného javu. Vytvorené applety síce nie sú tak lákavé svojim grafickým spracovaním ako iné dostupné applety,

169 ktoré môžeme nájsť na internete, avšak môže si ich vytvoriť samotný učiteľ, a to aj bez predchádzajúcich znalostí programovania. Učiteľ tak dostáva do rúk prostriedok, s ktorým vytvorí applet, prezentujúci daný konkrétny jav, ktorý chce zdôrazniť a demonštrovať. Je samozrejme výhodné, keď žiaci môžu daný jav skúmať s reálnymi pomôckami. Ak však potrebné pomôcky učiteľ nemá k dispozícii, spomenutý softvér mu umožňuje vytvoriť simuláciu skúmaného javu. Applety z optiky V programe C.a.R sme vytvorili applety z geometrickej optiky. S touto oblasťou fyziky sa stretávajú žiaci ako na základných, tak aj na stredných školách. Zamerali sme sa najmä na základné zákony a javy, medzi ktoré patria odraz a lom svetelných lúčov na rozhraní dvoch optických prostredí. Taktiež sme vytvorili applety zamerané na zobrazovanie pomocou zrkadiel presnejšie dutého a vypuklého zrkadla. Applet Odraz svetla, zákon odrazu Daný applet (Obr.1) zobrazuje zjednodušený pohľad na odraz svetla na rozhraní dvoch optických prostredí. Hlavnou časťou okna je optický hranol, ktorého index lomu je zhodný z indexom lomu skla. Na optický hranol dopadá svetelný lúč pod uhlom dopadu α. Obr. 1: Applet Odraz svetla, zákon odrazu V applete sa nachádzajú rôzne pohyblivé tlačidlá šesť tlačidiel na zobrazenie rôznych možností skúmaného javu a jedno posuvné tlačidlo, pomocou ktorého nastavujeme počiatočnú podmienku. Posuvné tlačidlo α umožňuje spojite meniť uhol dopadu svetelného lúča. Pohyblivé tlačidlo nazvané Odrazený lúč po presunutí do krajnej polohy napravo zobrazí odrazený lúč. Druhé tlačidlo s názvom Kolmica po presunutí do krajnej polohy napravo zobrazí kolmicu dopadu. Táto je čiarkovaná, nakoľko je to myslená čiara, ktorú pri reálnom pokuse nevidíme. Tretie pohyblivé tlačidlo má názov Veľkosť uhlov. Po jeho presunutí do krajnej polohy napravo zobrazí veľkosť uhlov. Ďalšie tri tlačidlá nesú spoločný názov Farba svetla. Po ich presunutí do krajnej polohy dopadajúci a odrazený lúč zmenia farbu. Ich význam je v tom, aby si žiaci uvedomili, že pri odraze svetla nezáleží na farbe svetelného lúča, a že zákon odrazu platí rovnako pre monochromatické, ako aj biele svetlo. Applet Lom svetla, zákon lomu Prostredníctvom nasledujúceho appletu sa dá skúmať lom svetelného lúča pri prechode z jedného optického prostredia do druhého (Obr. 2). Optické prostredia sú farebne odlíšené. Dopadajúci lúč má červenú farbu, pričom sme danú farbu zvolili tak, aby sme odlíšili svetelný lúč od ovládacích častí appletu

170 Obr. 2: Applet Lom svetla, zákon lomu V applete sa dajú nastaviť tri počiatočné podmienky: index lomu prvého prostredia, index lomu druhého prostredia a uhol dopadu na rozhranie daných prostredí. Indexy lomu daných dvoch optických prostredí sme volili tak, aby ich rozsah pokrýval bežne používané hodnoty indexov lomu prostredí. Uhol dopadu sa dá spojite meniť v intervale od 0 po 90. Postupne sa dajú odkrývať prvky, ktoré umožnia skúmanie daného javu. V prvom rade je to odrazený lúč, ktorý sa pri spustení appletu nezobrazuje. Ďalší prvok, ktorý je dôležitý pri skúmaní lomu, je kolmica dopadu. Kolmica dopadu je zobrazená čiarkovanou čiarou, nakoľko je to myslená čiara. Posledný prvok, ktorý sa dá zobraziť, je veľkosť uhla dopadu a uhla odrazu. Daný applet sa dá využiť nielen vo fyzike základných škôl, ale aj na strednej škole, pri zavedení Schnellovho zákonu. Preto sú v applete možnosti, ktoré nie sú na základnej škole využiteľné, napríklad veľkosť uhlov, indexy lomu prostredí. Na strednej škole môžeme applet využiť nielen pri expozícii učiva, ale napríklad aj na overenie výpočtových úloh. Applet poskytuje aj možnosť skúmania totálneho odrazu svetelného lúča. Applet Zobrazenie vypuklým zrkadlom Daný applet sa zameriava na zobrazovanie predmetu vypuklým zrkadlom. Hlavným prvkom okna je vypuklé zrkadlo. Na pravej strane sa nachádzajú ovládacie prvky. Tieto sú rozdelené do dvoch častí. Prvá časť ovládacích prvkov sa zameriava na zobrazenie významných lúčov. Pomocou týchto prvkov môžeme postupne zobrazovať významné lúče a ich odraz na vypuklom zrkadle. Lúče sa dajú zobraziť v rôznom poradí. Toto môže byť využité nielen pri expozícii učiva, ale aj pri samostatnom opakovaní učiva žiakom. Obr. 3: Applet zobrazenie vypuklým zrkadlom

171 Druhá časť ovládacích prvkov je zameraná na vytvorenie obrazu predmetu. V tomto prípade sa jedná o šípku. Poloha šípky na osi sa dá meniť. Meniteľná je aj veľkosť predmetu a jeho orientácia na osi. V tejto časti nie sú všetky posuvné tlačidlá zobrazené na začiatku, ale postupne sa odkrývajú. Zmyslom postupného odkrývania tlačidiel je to, aby žiaci mohli daný applet využiť pri opakovaní danej látky teda nevidieť ihneď výsledok, ale ho postupne konštruovať. Záver Pokusy s reálnymi pomôckami sú vo vyučovaní fyziky nenahraditeľné. Častokrát však podmienky a prostriedky nedovoľujú tieto pokusy uskutočniť. Vtedy sa tieto dajú nahradiť inými formami. Jednou z nich sú applety. Applety dovoľujú žiakom manipulovať s virtuálnymi pomôckami a prostredníctvom toho spozorovať skúmaný jav. Prostredníctvom dynamického geometrického programu C.a.R. sa dajú vytvoriť jednoduché applety. Výhodou tohto programu je, že na vytvorenie appletov nie sú potrebné znalosti z programovania. Applety exportované do HTML formátu sú prístupné pre všetkých žiakov. Jedinou podmienkou na správne zobrazenie a fungovanie appletu je program Java. Vytvorené applety sú voľne prístupné na stránke Virtuálne laboratórium fyziky Katedry fyziky Fakulty prírodných vied Univerzity Mateja Bela v Banskej Bystrici (< Applety môže využívať ako učiteľ v rámci vyučovacieho procesu, tak aj žiak, a to nielen v škole, ale aj pri príprave na vyučovanie. V budúcnosti by sme chceli doplniť dané applety o viac tém, ako sú napríklad zobrazovanie šošovkami, či prechod svetla planparalelnou vrstvou. Literatúra [1] C.a.R. [online]. Dostupné na internete: < [2] JANOVIČ, Jozef Fyzika pre 9. ročník ZŠ. 2.vyd. Bratislava: Slovenské pedagogické nakladateľstvo, s. ISBN [3] Virtuálne laboratórium fyziky [online]. Dostupné na internete: < Adresa autora Bc. Katarína Krišková Katedra fyziky FPV UMB Tajovského Banská Bystrica Katarina.kri@gmail.com

172 DIMENZIE PRIESTORU A ČASU Dalibor Krupa Fyzikálny ústav SAV, Dúbravská cesta 9, Bratislava Abstrakt: Skúmanie priestoru a času pri poznávaní fyzikálnej reality, ktorá nás obklopuje, spôsobuje, že aj naše vnímanie priestoru a času podobne ako vnímanie hmoty a energie sa dramaticky mení a prehlbuje. V článku ukazujeme ako sa pod tlakom nových poznatkov zmenilo jednoduché vnímanie času a geometrická predstava priestoru v klasickej fyzike na predstavu jedného časopriestorového kontinua a ako sa menia aj súčasné predstavy 4-dimenzionálneho časopriestoru ako možnej podmnožiny mnohorozmerného priestoru. Prínos príspevku spočíva v pochopení viacrozmerného priestoru na základe jednoduchých analógii s menej ako trojrozmernými priestormi. Kľúčové slová: priestor, čas, štvorrozmerný časopriestor, dimenzie priestoru Úvod Základnou vlastnosťou priestoru a času je ich rozmernosť, čiže dimenzia. Priestor, ktorý nás obklopuje je trojrozmerný, jeho dimenzia je 3-D. V klasickej mechanike vystupuje čas skôr ako nezávislý bezrozmerný parameter. Z geometrie poznáme aj priestory s dimenziou menšou ako tri. Príkladom dvojdimenzionálneho priestoru 2-D je rovina alebo ľubovoľná iná plocha, napríklad plocha povrchu gule. Geometrická priamka, zakrivená čiara alebo trajektória pohybujúceho sa telesa predstavujú jednorozmerný priestor 1-D. Geometrický bod je príkladom bezrozmerného priestoru. Pri pohybe hmotného telesa, ktorého rozmery sú malé v porovnaní s dĺžkou jeho dráhy (napríklad pri pohybe planét po obežných dráhach okolo slnka) nie je nutné brať do úvahy jeho rotáciu, rozmery či tvar telesa a stačí uvažovať o pohybe jeho ťažiska ako bezrozmerného hmotného bodu. 1. Stupne voľnosti a súradnicové sústavy Poloha hmotného bodu pri jeho pohybe v jednorozmernom priestore po priamke alebo po trajektórii iného tvaru, sa dá určiť jedinou súradnicou, napríklad vzdialenosťou od ľubovoľne zvoleného iného pevného bodu, ktorý môžeme považovať za začiatok súradnicovej sústavy. Pri svojom pohybe v 1-D priestore má iba jeden stupeň voľnosti, na rozdiel od pohybu po ploche. V dvojrozmernom priestore, akým je plocha, už s jedným údajom na určenie polohy hmotného bodu nevystačíme. Sú na to potrebné dva údaje, dva parametre, čí dve súradnice. Hovoríme, že pri svojom pohybe v 2-D priestore má hmotný bod dva stupne voľnosti. V 3-D priestore sú na určenie polohy potrebné tri súradnice. Pri popise pohybu hmotného bodu je zaujímavé poznať okrem polohy aj dĺžku dráhy - vzdialenosť, ktorú prešiel. Ak súradnicovú sústavu stotožníme so začiatočným bodom pohybu, tak dĺžka vykonanej dráhy s sa, pri priamočiarom pohybe, rovná vzdialenosti x hmotného bodu. V 1-D priestore platí s = x, takže platí V dvojrozmernom priestore s pravouhlými súradnicami x, y platí podľa Pytagorovej vety

173 V trojrozmernom priestore v pravouhlej súradnicovej sústave so súradnicami x, y, z máme obdobný vzťah Výhodné je použiť zápis sčítania pomocou indexov súradníc kde n sa rovná počtu dimenzií uvažovaného priestoru 1, 2 alebo 3. Ako ďalej uvidíme, tento vzťah platí aj pre štvorrozmerný časopriestor v teórii relativity a tiež v teóriách uvažujúcich s viacrozmernými priestormi. 2. Relativita pohybu a transformácie súradnicovej sústavy Telesá sa pohybujú v priestore, ale nie voči priestoru. Keď hovoríme o pohybe hmotného bodu, vždy máme na mysli pohyb voči ostatným telesám či hmotným bodom, s ktorým ho môžeme porovnávať. Klasická predstava pohybu voči akémusi absolútnemu prázdnemu priestoru je nereálna. Pohyb telesa v priestore sa nedá určiť, pokiaľ sa v priestore nenachádza niečo voči čomu sa pohyb deje, napríklad iný hmotný bod, teleso s ktorým môže navzájom interagovať. Keďže súradnicovú sústavu si môžeme sami zvoliť, môžeme ju spojiť s telesom, ktoré sa pohybuje, alebo dokonca rotuje. Predstavme si, že sa pozeráme na nejaké teleso, napríklad na bežné školské pravítko s dĺžkou 30cm. Jeho dĺžka sa nezmení, keď sa začneme k nemu približovať alebo vzďaľovať. Dokonca sa nezmení ani keby sme sa pritom začali otáčať. Jeho dĺžka bude stále rovnaká, čiže 30cm. Znamená to, že vzdialenosť v priestore medzi dvomi pevnými bodmi sa nemení, či ju meriame v súradnicovej sústave, ktorá je stacionárna, alebo či sa pohybuje. To isté platí, keby sme boli v súradnicovej sústave pevne spojenej s letiacim, či rotujúcim telesom. Veličiny, ktoré sa pri prechode z jednej súradnicovej sústavy na druhú nemenia, sa nazývajú invariantami. Vzdialenosť medzi dvomi pevnými bodmi vyjadrená vzťahom (1) je invariantná vzhľadom na transformácie súradníc bez ohľadu na to, či je to vzdialenosť meraná v jednorozmernom, dvojrozmernom alebo trojrozmernom priestore. 3. Štvorrozmerný priestor Pri doterajších úvahách sme nemali problém predstaviť si bod, čiaru, plochu či trojrozmerné teleso. Predstaviť si 0-D,1-D a 2-D priestor nie je problém, lebo náš 3-D priestor, v ktorom žijeme, obsahuje v sebe celkom prirodzene priestory s menšou dimenziou. Všetky menej ako 3-D priestory sú totiž podmnožinou 3-D priestoru. Keby sme boli bytosťami s dimenziou menej ako 3-D, predstaviť si 3-D priestor by nám robilo veľké ťažkosti. Predstavme si, že by sme boli dvojrozmernými bytosťami, aké bežne vidíme na filmovom plátne, alebo obrazovke. Bytosťami, ktoré sú projekciami trojrozmernej reality do dvojrozmerného priestoru. Pozerať by sme sa mohli iba doprava a doľava, nikdy by sme sa nemohli pozrieť hore, alebo dole, lebo rozmer smerom nahor by pre nás jednoducho neexistoval. Presne takáto je naša situácia, keď si chceme predstaviť štvorrozmerný geometrický priestor, lebo štvrtý rozmer pre nás neexistuje. Aké však mohlo byť Einsteinove prekvapenie, keď v reči matematiky sformuloval experimentálne zistenú skutočnosť, že rýchlosť svetla nezávisí od rýchlosti zdroja svetla, ale ani od rýchlosti, ktorou sa pohybuje pozorovateľ, čo túto rýchlosť meria. Či sa zdroj svetla pohybuje smerom k nám alebo

174 od nás, rýchlosť svetla nameriame vždy tú istú, teda konštantnú. Matematicky to znamená, že aj pre n=4, kde štvrtá súradnica súvisí s časom, sa pri transformáciách súradných sústav vzdialenosť s v rovnici (1) zachováva, podobne ako sa vzdialenosť zachováva v trojrozmernom priestore. Štvrtá súradnica x 4 pritom vyjadruje vzdialenosť, ktorú svetlo prekoná za čas t, teda platí, že Čo z toho vyplýva? Znamená to, že v skutočnosti žijeme v štvorrozmernom priestore 4-D, pričom náš 3-D priestor je podmnožinou priestoru 4-D, ktorý v sebe obsahuje tri súradnice 3-D priestoru a súradnicu závisiacu od času. Hovoríme tomu štvorrozmerný časopriestor. Poloha bodu v priestore vždy súvisí s určitou polohou v čase. Poloha a čas sú takto navzájom prepojené. Čas v teórii relativity už nie je ponímaný iba ako nezávislý parameter ale ako jedna zo súradníc, pričom zmena jednej súradnice spôsobuje zmenu iných, tak aby platilo, že s v rovnici (1) sa nezmení. 4. Viacrozmerné priestory Viacrozmerné priestory, dokonca priestory s nekonečným počtom rozmerov, nie sú vo fyzike novinkou. Vyskytujú sa v mechanike, termodynamike aj kvantovej mechanike. Ide o tzv. fázové priestory určené polohami a hybnosťami zodpovedajúcimi všetkým možným fyzikálnymi stavom častíc, napríklad molekúl v termodynamike, alebo častíc v tzv. Hilbertovom priestore v kvantovej mechanike. Napriek tomu, že si ich geometricky názorne nevieme predstaviť, vieme ich dobre matematicky popísať a vieme s nimi počítať. V teoretickej fyzike existujú modely s 10-rozmerným, 26-rozmerným vesmírom, ale aj iné, v ktorých sa nachádza náš známy 4-rozmerný časopriestor. Predpokladá sa, že napríklad ochladzovaním vesmíru pri jeho rozpínaní mohlo dôjsť k tzv. kompaktifikácii, t.j. k zredukovaniu extra dimenzií, zvyšných rozmerov, takže sa postupne prestali prejavovať, podobne ako sa relativistický 4-D vesmír javí iba ako 3-D vesmír klasickej mechaniky. Skúmanie fyzikálnych dejov v relativistickej kvantovej fyzike, ktoré sa pri rýchlostiach svetla dejú za nepredstaviteľne malé zlomky času dáva nádej, že sa niečo dozvieme o existencii takýchto extra dimenzií. Pomocou urýchľovačov elementárnych častíc sa podarilo skúmať štruktúru hmoty na vzdialenostiach mnohokrát menších ako najvýkonnejšími elektrónovými mikroskopmi. Vďaka ním vieme v súčasnosti rozoznať štruktúry, ktoré sú malé až 10-2O metra a čas s presnosťou sekundy. Je to ešte veľmi ďaleko od predpokladanej najmenšej, tzv. Planckovej vzdialenosti metra a najkratšiemu existujúcemu intervalu času, tzv. Planckovmu času sekundy, čo sú veličiny odvodené z kvantovej mechaniky. Hrali rozhodujúcu úlohu pri vzniku vesmíru. Očakáva sa že zvyšovaním energie elektrónov pomocou urýchľovačov sa podarí odkryť skryté doposiaľ neznáme dimenzie. Jednoduchou analógiou na pochopenie kompaktifikácie dimenzií je napríklad to, ako vnímame lano natiahnuté medzi stožiarmi. Pri pohľade z diaľky sa javí ako jednodimenzionálny objekt, ale pri priblížení začíname rozoznávať jeho hrúbku a vidíme ho už ako dvojrozmerný objekt, pri dostatočnom priblížení a zväčšení ho vidíme ako skutočný trojrozmerný objekt. 5. Záver Doterajšie poznatky z procesu poznávania reality, ktorá nás obklopuje, nás vedie za hranice našej bežnej skúsenosti a predstavivosti. V mikrosvete sme si už zvykli na podivné vlastnosti hmoty - atómov, elementárnych častíc a kvarkov. V makrosvete sme si podobne zvykli na podivné

175 vlastnosti času, priestoru a rozpínajúceho sa vesmíru. V oboch prípadoch nám nestačí naša predstavivosť získaná jednoduchou každodennou skúsenosťou. Ako ľudské bytosti sa nachádzame niekde v strede medzi dvomi nekonečnosťami a hoci si to ľudia prostredníctvom pozorovania prírody vždy uvedomovali, súčasné vedecké poznávanie, vyzbrojené oveľa lepšími prístrojmi ako kedykoľvek predtým, nám prezrádza, že hranice týchto oboch nekonečností v mikrosvete a v makrosvete sú ešte oveľa vzdialenejšie, ako sme si predstavovali. Navyše sa ukazuje, že ako sa zväčšujú naše vedomosti, objavujeme stále zložitejšie a jemnejšie štruktúry hmoty, energie, priestoru a času. Naše súčasné poznatky iste nie sú konečné a čakajú nás ďalšie prekvapenia. Poďakovanie Príspevok vznikol v rámci riešenia grantového projektu APVV-LPP Adresa autora RNDr. Dalibor Krupa, CSc., DPhil Fyzikálny ústav SAV Dúbravská cesta Bratislava 4 krupa@savba.sk

176 HĽADANIE HIGGSA Dalibor Krupa Fyzikálny ústav SAV Abstrakt: Jedným z dôvodov pre stavbu európskeho urýchľovača LHC bola snaha nájsť teoreticky predpovedaný Higgsov bozón elementárnu časticu, ktorá by mala byť zodpovedná za to, že elementárne častice a atómy majú hmotnosť. Snaha o jeho odhalenie v procesoch vysokoenergetických zrážok protónov vstupuje v súčasnosti do záverečnej fázy, kedy sa potvrdí, či súčasné chápanie podstaty hmoty a naše teoretické predpovede sú správne. Kľúčové slová: elementárne častice, kvarky, gluóny, Higgsov bozón, Úvod Veľký hadrónový urýchľovač Large Hadron Collider LHC bol postavený pri Ženeve v podzemnom tuneli s obvodom 27 km, v ktorom bol do roku 2000 umiestnený urýchľovač LEP na zrážanie elektrónov a pozitrónov pri celkovej energii zrážok do 200 GeV. LHC je projektovaný na energie zrážky protónov až do14 TeV. Spustený bol v septembri 2008, avšak po 10 dňoch musel byť odstavený pre zistené konštrukčné závady na supravodivých magnetoch. Opätovne bol spustený v apríli 2010 a experimenty, čo ho využívajú odvtedy spoľahlivo chrlia desiatky miliónov gigabajtov údajov. Energie dosahované na LEP pomohli objaviť častice W a Z bozóny, no neboli dostatočne veľké na objavenie Higgsovho bozónu H. To sa očakáva od LHC. Možná existencia týchto bozónov vyplývala z predpovedí teoretického modelu, tzv. Štandardného modelu fyziky elementárnych častíc. Štandardný model predpovedal existenciu W a Z bozónov a ich objavenie bolo významným potvrdením správnosti Štandardného modelu, čo dalo impulz na stavbu LHC. O existencii H bozónu sa uvažovalo už pred 40 rokmi. Britský fyzik Peter Higgs [1] navrhol existenciu takejto častice na vysvetlenie toho, prečo Z a W bozóny, ktoré sprostredkovávajú slabú jadrovú interakciu majú hmotnosť, zatiaľ čo fotón, ktorý prenáša elektromagnetickú interakciu ju nemá. Podľa Štandardného modelu je Higgsov bozón zodpovedný za to, že všetky fundamentálne častice okrem fotónu a gravitónu majú nenulovú hmotnosť a tiež za to, že rozdiely hmotnosti častíc sú také obrovské. Higgsov bozón by mal byť kvantom Higgsovho poľa, v ktorom sa pohybujú ostané častice a veľkosť ich interakcie s týmto poľom určuje ich hmotnosť. Preto sa Higgsovmu bozónu tiež hovorí, že je to Božská častica. Štandardný model Objavy elementárnych častíc protónu, neutrónu a elektrónu pomohli vysvetliť existenciu atómov a záhady prečo máme tak veľa rôznych chemických prvkov. Skúmaním síl pôsobiacich v atómových jadrách došlo k objavom ďalších elementárnych častíc, ktoré sú nestabilné a existujú iba zlomky sekundy. Stabilné častice sú iba protón a elektrón. Ďalším výskumom sa zistilo, že častice ťažšie ako elektrón, ktoré nazývame elementárne, v skutočnosti nie sú elementárne, ale majú svoju vnútornú štruktúru pozostávajúcu z kvarkov. No podobne ako atóm, čo znamená nedeliteľný, naďalej nazývame atómom, hoci nie je nedeliteľný, ale pozostáva z atómového jadra zloženého z protónov, neutrónov a z obalu tvoreného elektrónmi, tak aj elementárne častice zložené z kvarkov a gluónov, nazývame naďalej elementárnymi a hovoríme im, že sú fundamentálne, čo znamená, že na súčasnej úrovni poznania ich považujeme za ďalej nedeliteľné

177 Medzi fundamentálnymi časticami a elementárnymi časticami je, okrem toho, že fundamentálne častice sú sub-časticami elementárnych častíc, ešte ďalší podstatný rozdiel. Spočíva v tom, že u elementárnych častíc môžeme priamo merať ich hmotnosť, spin a elektrický náboj, čo neplatí u kvarkov. Je to dané tým, že kvarky vždy existujú v pároch, alebo v trojici. Pri vysoko energetických zrážkach elementárnych častíc nikdy nevyletí von ojedinelý kvark, ale to, čo po zrážkach pozorujeme sú opäť elementárne častice zložené z dvoch či troch kvarkov. Je to tak ako keby pri zrážkach aut, nezostávali po nich úlomky ich karosérie, ale celé nové autá rôznych značiek. Baryóny ako protóny, neutróny a in ťažké častice, ktoré pozorujeme po zrážke, sú zložené z troch kvarkov, mezóny π +, π -, π 0, K +, K - a ďalšie ľahšie častice, sú zložené z dvoch kvarkov (kvarku a antikvarku). Kvarky majú na rozdiel od elementárnych častíc tretinový elektrický náboj 1/3, alebo 2/3 elektrického náboja. Kvarky a gluóny sa tiež líšia tým, že sú nosičmi ďalšieho kvantového čísla, ktoré nazývame farbou. Vyjadruje sa tým fakt, že každý z kvarkov existuje v troch rôznych druhoch - farbách, čo u elementárnych častíc nepozorujeme. Tie sú bezfarebné, lebo keď u baryónov zmiešame tri základné farby kvarkov - modrú, červenú a zelenú, výsledná farba je biela. Podobne sa vyruší farba kvarku a antikvarku. Na pochopenie zloženia stabilných častíc vystačíme s dvomi kvarkami, horným a dolným, ktoré značíme ako u a d (z anglického up a down). Kvark d má elektrický náboj rovný 1/3 náboja elektrónu, kvark u má elektrický náboj rovný 2/3 náboja pozitrónu. Oba druhy týchto kvarkov tvoria protón aj neutrón. Protón sa skladá z dvoch u kvarkov a jedného d kvarku s rôznymi farbami: p (u,u,d), elektrický náboj je 2/3+2/3-1/3 = 1, Obr.1. Neutrón zase z jedného u kvarku a dvoch d kvarkov: n (u,d,d), s elektrickým nábojom rovným -1/3-1/3+2/3=0. Podobne kladný π mezón z u kvaru a d ntikvarku π + (u, anti-d) s nábojom 2/3+1/3 = 1, Obr. 2. Obr. 1: Protón Obr. 2: Mezón π + Ako sa zlepšovali experimentálne zariadenia na skúmanie zrážok elementárnych častíc a zvyšovali sa ich energie v urýchľovačoch, boli postupne objavené ďalšie elementárne častice. Na ich vysvetlenie bolo nutné uvažovať o existencii ďalších kvarkov. Boli to postupne s kvark (strange, podivný), c kvark (charm, šarm) a neskôr kvarky b (bottom, spodný) a t (top, vrchný) a ich antikvarky. Štandardný model tvoria spolu s kvarkami aj leptóny, ktoré na rozdiel od kvarkov neinteragujú prostredníctvom silnej interakcie sprostredkovanej glónmi ale iba prostredníctvom fotónov elektromagnetického poľa. Sú to elektrón a elektrónové neutríno, mión a miónové neutríno a tau leptón a jeho neutríno. Kalibračné bozóny Elementárne častice, tak ako ich konštituenty - kvarky navzájom interagujú prostredníctvom gravitačného poľa, elektrickej a slabej interakcie a hlavne prostredníctvo silnej interakcie. Kvantá

178 týchto polí, častice sprostredkujúce interakcie, gravitón, fotón, W a Z bozóny, a gluóny dopĺňajú obraz Štandardného model elementárnych častíc. Tab. 1. Zatiaľ čo kvarky a leptóny majú spin ½, sú to fermióny, tieto častice majú celočíselný spin 1, takže sú to bozóny. Teórie poľa, ktoré ich popisujú sa vyznačujú t.zv. kalibračnou symetriou, preto sa označujú ako kalibračné bozóny. Podrobnejšie vlastnosti kalibračných bozónov vidno v Tab. 2. Tab. 1: Fundamentálne častice Štandardného modelu Tab. 2: Vlastnosti kalibračných bozónov Meno Symbol Náboj (e) Spin Hmotnosť (GeV/c 2 ) Interakcia Existencia Fotón γ Elektomagnetická Potvrdená W bozón W Slabá Potvrdená Z bozón Z Slabá Potvrdená Gluón g Silná Potvrdená Higgsov H bozón Hmotnosť Nepotvrdená Gravitón G Gravitácia Nepotvrdená Štandardný model predpovedá spin Higgsovej častice rovný nule, takže je to bozón ako ostatné častice s celočíselným spinom (častice s polo číselným spinom sú fermióny), no zo štandardného modelu sa nedá presne určiť aká by mala byť jeho hmotnosť. Preto je pri jeho hľadaní nutné preskenovať a preskúmať zrážky v širokom intervale energií. Záver Z predchádzajúcich experimentov zo zrážok elektrónov s pozitrónmi na urýchľovači LEP sa vie, že H by mal byť ťažší ako 114 Gev/c 2 a z experimentov vo Fermilabe neďaleko Chicaga sa vie, že by mal byť ľahší ako 145 Gev/c 2, čo sú dôležité obmedzenia, ktoré zužujú interval energií zrážajúcich sa

179 protónov v ktorom treba Higgsa hľadať. Takže hľadanie Higgsovho bozónu sa v CERN zatiaľ sústreďuje na energie v rozsahu 114 až 145 Gev/c 2 [2], Obr.3. Obr. 3: Kde sa očakáva nájdenie Higgsa Je to veľmi dôležité obmedzenie, ktoré aspoň z časti môže pomôcť nájsť ihlu v kope sena. Pri zrážkach protónov vniká pri takýchto vysokých energiách niekoľko sto sekundárnych častíc. Detekčné zariadenia sú nastavené hlavne na detekciu spŕšok pochádzajúcich od dvoch vysoko energetických fotónov. Podľa teoretických predstáv to nie je proces s najvyšším účinným prierezom, ale detekcia ostatných procesov s vyššími účinnými prierezmi, typických pre kvark - antikvarkvé kanály je oveľa náročnejšia. Potvrdenie existencie Higgsovho bozónu bude znamenať posilnenie súčasného chápania interakcií a existencie kvarkov, leptónov a bozónov v rámci Štandardného modelu elementárnych častíc. Poďakovanie Príspevok vznikol vďaka podpore Slovenskej grantovej agentúry VEGA projekt číslo 2/0137/11 a vďaka grantu APPV LPP Poznámka na záver Dňa 4. Júla 2012, tj. o 11 týždňov po konferencii na ktorej bol tento príspevok prezentovaný bolo v CERN sympózium na ktorom bol objav Higgsovho bozónu zverejnený. Jeho hmotnost zodpovedá energii 126 Gev/c 2. [3] Literatúra [1] Higgs, P Spontaneous Symmetry Breakdown without Massless Bosons. In: Physical Review 145: , [2] Higgsov bozón, [3] The ATLAS collaboration, Discovery of a new boson. In: CERN Courier, Volume 52, No 7, 2012, s ISSN X Adresa autora RNDr. Dalibor Krupa, CSc., DPhil Fyzikálny ústav SAV Dúbravská cesta Bratislava 4 krupa@savba.sk

180 INŠPIRATÍVNE NÁMETY NA ŽIACKE EXPERIMENTOVANIE Mária Nováková, Marián Kireš Oddelenie didaktiky fyziky, ÚFV PF UPJŠ v Košiciach Abstrakt: V príspevku sú zmapované informačné zdroje orientované na netradičné fyzikálne experimenty, popularizačné podujatia a pomoc učiteľom pri zatraktívňovaní fyzikálneho vzdelávania. Autori sa zameriavajú na expozície centier popularizácie vedy, národné prehliadky Science on Stage a podujatia v rámci Hands on Science. Na vybraných netradičných experimentoch sú predstavené inšpiratívne námety na žiacke experimentovanie, objavovanie a skúmanie vybraných fyzikálnych javov. Kľúčové slová: Centrá popularizácie vedy, netradičné fyzikálne experimenty, interaktívne demonštrácie Úvod V duchu kurikulárnej reformy a zvyšujúceho sa nezáujmu o štúdium prírodovedných predmetov sa prehodnocujú spôsoby vyučovania na školách. Klasickým výkladom fyzikálnych javov alebo typickým školským experimentom len ťažko upútame pozornosť študentov. Jednoduchý prístup k informáciám znižuje nutnosť klasických školských poznatkov. Prioritou už nie je podať žiakom čo najviac vedomostí. Dôležitejšie je naučiť ich orientovať sa v množstve dostupných informácií, selektovať ich, naučiť ich premýšľať nad možnými aspektmi, pozerať sa na problém z rôznych uhlov. V dnešnom svete nie je komplikované dostať sa k potrebným informáciám. Problémom ostáva, ako podnietiť mladých ľudí pre vedecké bádanie, ako v nich vzbudiť záujem o vyhľadávanie a následné vzdelávanie sa v oblasti vedy. Netradičné námety na podporu žiackeho fyzikálneho myslenia môžu učitelia čerpať z rôznych zdrojov, medzi ktoré patria napríklad aj: - Školenia pre učiteľov - Popularizačné podujatia (Science on Stage, Hands on Science) - Informačné zdroje (internet, multimediálne pomôcky, odborné časopisy) - Exkurzie (vedecko výskumné inštitúcie, observatória, centrá vedy) Obr.1: Školenia pre učiteľov, medzinárodné podujatia

181 Pre učiteľov sa organizujú rôzne školenia zamerané na poznávanie nových trendov vo vzdelávaní, na získavanie spoľahlivých metód a inšpirácií. Pozitívnym významom týchto školení je aj vzájomná podpora učiteľov v kreatívnosti a inovovaní vyučovacieho procesu, výmena overených skúseností i názorov. Okrem stretávania sa učiteľov na národnej úrovni existujú aj ďalšie možnosti nadväzovania kontaktov počas rôznych medzinárodných podujatí, napr. projekt Establish, Science on Stage [1], Hands on Science. Keďže sú množstvom účastníkov obmedzené, mnohé námety aj z týchto medzinárodných podujatí sú dostupné na internete, či v odborných časopisoch určených pre učiteľov prírodovedných predmetov. 1 Exkurzia Súčasťou medzinárodných podujatí sú aj návštevy špičkových vedeckovýskumných pracovísk, keďže exkurzie tvoria neodmysliteľnú časť pri prepájaní vyučovacieho procesu s praxou. Zároveň sú dôležité pre vytváranie kontaktu s vedeckovýskumnými pracoviskami nielen pre žiakov, ale aj pre učiteľov, ktorí tak môžu získať prehľad o najnovších vedeckých výsledkoch a sprostredkovať realistickejší obraz modernej vedy žiakom a informovať ich o pestrej a zaujímavej kariérnej príležitosti. Spájaním teórie s praxou sa študentom približuje fyzika v okolitom svete. Umožňuje žiakom poznávať predmety, javy a procesy v podmienkach reálnej praxe, v príslušnom prostredí a v typických podmienkach. Bezprostredné pozorovanie a poznávanie prispieva k vytváraniu predstáv a vedomostí. Exkurzia podporuje názornosť vyučovacieho procesu, poukazuje na praktický význam osvojovaných poznatkov, umožňuje zážitkové učenie, ale okrem toho aj vytvára a upevňuje vzťahy v žiackych kolektívoch. Vhodnými sú napr. návšteva Observatória v Starej Lesnej, Hvezdáreň v Rimavskej Sobote, vedeckovýskumných inštitúcií ako Ústav fyzikálnych vied PF UPJŠ, Slovenská akadémia vied a pod. Niektoré moderné múzeá môžu byť tiež pre učiteľa a jeho žiakov zdrojom zaujímavých inšpirácií. Sú to miesta, kde len ťažko nájdeme zaprášené exponáty s výhražnou ceduľkou: Nedotýkajte sa!. Naopak, ak účastníci chcú niečo vidieť, niečo sa dozvedieť, musia sa jednotlivých exponátov nielen dotknúť, ale aj poriadne prebádať a vyskúšať. Takéto moderné múzeá, centrá vedy, sa dnes snažia vedu a techniku priblížiť návštevníkom nevšedným a zábavným spôsobom. V súčasnej dobe, kedy sa osobné skúsenosti čoraz častejšie zamieňajú za počítačové simulácie, môžu žiaci na vlastnej koži okúsiť množstvo experimentov. Sami sú aktérmi jednotlivých hier, napr.: bicyklovanie na lane, vozenie v autíčku na štvorcových kolesách, hádzanie lopty v otáčavej miestnosti a mnoho iných. 2 Centrá vedy, Exploratóriá Formou interaktívnych pokusov a hier sa návštevníci zoznamujú so zákonmi prírody, sveta a vesmíru. Zábavným spôsobom sa najmä u detí prebúdza záujem o tajomstvá okolitého sveta, nezabudnuteľnými zážitkami objavujú úžasný svet fyziky. Perfektné 3D kiná, zaujímavo podávané prednášky, predstavenia s ohromujúcimi efektmi, možnosť pozrieť si vnútro objektov v životnej veľkosti, robiť fyzikálne pokusy sú už takmer v každej krajine absolútnou samozrejmosťou. Návštevníkom dávajú možnosť vidieť a zistiť, ako veci fungujú, objavovať, experimentovať. Jednoduchým, ľahko pochopiteľným spôsobom zisťujú napr. fyzikálny princíp optických klamov, zrkadlového bludiska, fakírskej postele, sledujú fungovanie teplovzdušného balónu a pod. V mnohých svetových metropolách sa nachádzajú moderné exploratóriá, napr.: Exploratorium San Francisko, USA Universum Goteborg Göteborg, Švédsko

182 Science Museum Londýn, Veľká Británia Cité des Sciences et de l industrie Paríž, Francúzsko Deutsches Museum Mníchov, Nemecko Obr.2: Webový portál Exploratória v San Francisku a Mesta vedy a priemyslu v Paríži Bližšie k hraniciam Slovenska sú napr.: Technische Museum Viedeň, Rakúsko Palác zázrakov v Budapešti Techmania v Plzni Technické múzeum v Brne Demonštračné centrum v Liberci» Obr.3: Mapa Európy s vyznačenými miestami niektorých Exploratórií

183 3 Vybrané ukážky interaktívnych exponátov Coriolisov kolotoč (Priamo alebo zakrivene?) Hádzaním lopty spoluhráčovi oproti v rotujúcom kolotoči môžu návštevníci pozorovať rozdiel medzi inerciálnou a neinerciálnou vzťažnou sústavou. Po akej trajektórii sa lopta pohybuje? Vo vzťažnej sústave spojenej s rotujúcim kolotočom sa nám zdá, že lopta sa pohybuje zakrivene nachádzame sa v neinerciálnej vzťažnej sústave. Keď sa pozrieme na rotujúci kolotoč z vyššieho poschodia vidíme, že lopta sa pohybuje po priamke sme v inericálnej vzťažnej sústave. Obr.4: Coriolisov kolotoč Rezonančná hojdačka (Kmitá, nekmitá, kmitá, nekmitá) Spriahnuté kmity návštevníci overia, ak si sadnú na dve hojdačky. Jeden z nich sa rozhojdá a druhý pritom ostanie pokojne sedieť. Postupne sa kmity prvej hojdačky prenesú na druhú, ktorá je s ňou spriahnutá. Amplitúda výchylky druhej hojdačky sa zväčšuje na úkor zmenšovania amplitúdy výchylky prvej hojdačky, až kým sa prvá hojdačka nezastaví. Proces sa znova opakuje v opačnom poradí. Obr.5: Rezonančná hojdačka Ako udiera blesk (Keď je cesta vodivá) Model blesku je interaktívny exponát, pri ktorom návštevníci skúmajú a overujú bezpečnostné opatrenia počas búrky. Nezaobídu sa pritom bez dôležitých fyzikálnych pojmov, ako: elektrický výboj, rozdielny elektrický potenciál, elektrostatická indukcia, polarizácia, ionizácia vzduchu, intenzita elektrického poľa, krokové napätie a pod

184 Obr. 6: Model blesku Stabilita (Povrazolezec) Cirkusové číslo bicyklovanie na lane, môže aj bez rokov praxe predviesť každý z návštevníkov. Ťažisko celej sústavy je nastavené tak, aby sa sústava nachádzala v rovnovážnej polohe stabilnej. Pri akomkoľvek vychyľovaní, poloha ťažiska sústavy stúpa, sústava má tendenciu sa vrátiť do stabilnej polohy, polohy s minimálnou potenciálnou energiou. Obr.7: Bicyklovanie na lane 4. Creative factory (Centrum popularizácie vedy v Košiciach) Je pre nás potešujúce, že myšlienka centier vedy a propagácie ľudského umu našla podporovateľov aj na Slovensku. Spoločnosť USS Košice v spolupráci s mestom Košice, Technickou Univerzitou Košice, UPJŠ v Košiciach a SAV v Košiciach spoločne, pripravujú ako jedno z podujatí v rámci EHMK (Európske hlavné mesto kultúry) 2013, stálu expozíciu pod názvom Steelpark ( Realizačný tím zrekonštruuje budovu bývalých kasárni, v ktorej bude zriadená interaktívna expozícia propagujúca tvorivosť, moderné vedecké poznatky, výrobné technológie, ochranu životného prostredia a význam moderných technológií pre spoločnosť. Za partnera UPJŠ v Košiciach pripravujeme desať stálych exponátov v dvoch kategóriách: vedecká hračka a cesta magnetizmu. Ide o exponáty: Chladnyho obrazce, hra s bleskom, magnetické domény, ako putuje svetlo, Gaussovo delo [2], magnetohydrodynamika, siločiary magnetického poľa, magnetická čierna skrinka, padajúce magnety, magnetická pružina

185 Každý z exponátov je pripravovaný v spolupráci s dizajnérmi a technickými spolupracovníkmi tak, aby bol zaujímavý a poučný pre široké spektrum laickej verejnosti. Našim cieľom je zábavnou formou priviesť návštevníka k skúmaniu vlastností exponátu a k zamysleniu sa nad jeho princípmi. Obr.8: Webový portál s prezentáciou pripravovaného centra popularizácie vedy Záver V súčasnej dobe postupne narastá podiel neformálneho a informálneho vzdelávania na celkovom objeme vzdelávania. Je našou prioritou poskytnúť tvorivé, podnetné a aktívne poznávanie podporujúce formy, u ktorých je možné očakávať pozitívny dopad na myslenie žiakov, ich formovanie kladného postoja k poznávaniu. Veríme, že aj takouto formou sa nám aspoň z časti podarí podporiť školské fyzikálne vzdelávanie a nasmerovať väčšiu časť mladej generácie k prírodovednému vzdelávaniu. Poďakovanie Práca vznikla pri riešení projektu APVV LPP : Veda na scéne Slovensko. Literatúra [1] Welz, W. et col. (2006) Teaching science in Europe, Science on Stage Deutschland e.v., Berlin, ISBN , 2006 [2] RABCHUK, J.A. The Gauss Rifle and Magnetic Energy, The Physics Teacher. Marec 2003, vol. 41, p Adresa autorov Mgr. Mária Nováková, doc. RNDr. Marián Kireš, PhD. ODF UFV PF UPJŠ Angelinum 9, Košice maria.novakova@student.upjs.sk, marian.kires@upjs.sk

186 ZAUJÍMAVÉ EXPERIMENTY NA VYUČOVANIE FYZIKY Ľudmila Onderová Oddelenie didaktiky fyziky, ÚFV PF UPJŠ Košice Jozef Ondera Dubnický technologický inštitút, Dubnica nad Váhom Abstrakt: V príspevku je prezentovaných niekoľko jednoduchých nápadov a experimentov z rôznych oblastí fyziky. Jednoduchosť použitých pomôcok umožňuje realizáciu týchto pokusov ako učiteľmi tak študentmi, čím následne prispieva k pochopeniu fyzikálnej podstaty demonštrovaných javov. Kľúčové slová: tepelná vodivosť, hustota kvapaliny, Archimedov zákon Úvod Experimenty a experimentovanie majú vo vyučovaní fyziky nezastupiteľnú úlohu. Významne prispievajú k získavaniu nových poznatkov hlavne vtedy, ak sú súčasťou aktívneho poznávania žiakov.[1] Je vítané ak realizácia experimentov vyvolá diskusiu k zaujímavým fyzikálnym problémom. Experimenty uvedené v príspevku môžu byť prezentované formou problémových úloh s otázkou Prečo?, resp. Vysvetlite! a tým viesť žiakov a študentov k tomu, aby rozmýšľali nad fyzikálnym zdôvodnením týchto experimentov. Demonštrovanie tepelnej vodivosti ľahko a jednoducho Pre vedenie tepla je základnou rovnicou rovnica vedenia tepla. Podľa nej ak na tyči s dĺžkou l a prierezom S sú teploty koncov T 1 a T 2, teplota sa mení pozdĺž tyče približne lineárne. Vtedy za čas Δt pretečie prierezom tyče teplo: Q = λ S(T 1 T 2 ) t, kde konštanta λ je súčiniteľ tepelnej l vodivosti. Treba zdôrazniť, že táto rovnica platí len pre ustálené vedenie tepla, pri ktorom sa teplotný rozdiel medzi jednotlivými časťami telesa v čase nemení. Na demonštrovanie rozdielnej tepelnej vodivosti látok sa často využíva experiment, pri ktorom sa spojené konce tyčí z rôznych kovov zahrievajú plameňom. Na opačných koncoch sú pomocou vosku pripevnené napr. kancelárske sponky. Sledujeme, na ktorej tyči sa začne topiť vosk najskôr, čo sa prejaví odpadnutím pripevneného predmetu. Na základe pozorovania vyslovíme názor, že tepelnú vodivosť tyčí, ktoré sme použili pri experimente, možno usporiadať od najvyššej po najnižšiu. Rozdelenie teplôt v priebehu experimentu však nemôžeme považovať za stále. Teplota T 1 sa pri experimente mení, uplatňuje sa tepelná kapacita materiálu tyče a vplyv ochladzovania povrchu tyče vzduchom. Vosk je amorfná látka a nemá presnú teplotu topenia. Na demonštráciu tepelnej vodivosti iným experimentom použijeme nasledovné pomôcky: dve prázdne plechovky od nápojov, dve rovnaké kocky ľadu a nádobu s horúcou vodou. Plechovky ponoríme hore dnom takmer až po okraj do horúcej vody (napr. 60 C). Pred ich ponorením urobíme niekoľko dierok pod okrajom plechoviek, aby mohol pri ponáraní unikať vzduch. Na duté dno plechoviek položíme kocky ľadu. Pozorujeme, že ľad sa začne topiť. Zistíme však, že na jednej z plechoviek sa ľad topí rýchlejšie (obr.1). Študentom položíme otázku: Čo je príčinou rozdielneho chovania ľadu? Vysvetlenie, že príčinou môže byť rozdielna hrúbka plechu plechoviek ľahko vyvrátime premeraním, pri ktorom zistíme u obidvoch plechoviek prakticky rovnakú hrúbku cca 0,2 mm. Diskusiou so študentmi dospejeme aj k možnému vysvetleniu, že plechovky nie sú vyrobené z rovnakého materiálu. Po bližšom preskúmaní zistíme, že naozaj, jedna je vyrobená z hliníka (označenie Alu), kým druhá z ocele (označenie Fe). V tabuľkách nájdeme, že tepelná vodivosť ocele je cca 50 Wm -1 K -1, hliníka asi 240 Wm -1 K -1. Aj keď v prípade hliníkovej zliatiny bude hodnota o niečo nižšia, stále bude viac ako dvojnásobne vyššia ako u ocele

187 Obr.1 Rozdielne topenie ľadu Splnené sú aj ostatné podmienky - teplota topenia ľadu je presne daná a teplota vody sa počas experimentu mení minimálne, teda rozdiel teplôt ostáva približne konštantný. Tepelná kapacita časti plechoviek nad vodou je nízka, teda ustálený stav z hľadiska rozdelenia teploty nastane takmer okamžite po položení kociek ľadu. [2] Určenie hustoty kvapaliny pomocou dreveného metra Existujú viaceré metódy na určenie hustoty pevných látok, resp. kvapalín. Väčšina z nich vyžaduje meranie hmotnosti a objemu a to čo najpresnejšie, čo v podmienkach jednoduchého žiackeho experimentu často predstavuje problém. Metóda, ktorá je založená na porovnávaní momentov sily vznikajúcich na ramene páky zaťaženej najprv hmotnosťou kvapaliny so známou hustotou a momentu vytvoreného kvapalinou s neznámou hustotou to nevyžaduje. Meraciu aparatúru zostavíme nasledovne: drevený meter podopretý, alebo zavesený v strede vytvára vyváženú dvojramennú páku, na ktorej je možné jednoduchým spôsobom určiť veľkosť ramena pôsobiacej sily s presnosťou na 1 mm. Na jednu stranu páky (metra) zavesíme nádobku s tekutinou, ktorej hustotu potrebujeme určiť (meracia nádobka, obr.2). Obr.2 Zostava experimentu na určenie hustoty kvapaliny Vytvorený moment M 1 je zhodný s vyvažovacím momentom M V vytváraným na opačnej strane páky prostredníctvom vyvažovacej nádobky. Veľkosť momentu vytvoreného vyvažovacou nádobkou môžeme meniť množstvom vyvažovacej tekutiny, alebo ramenom zavesenia

188 vyvažovacej nádobky. Pri pokuse je nepodstatné, či je vyvažovací moment M V nastavený zmenou ramena, alebo zmenou množstva tekutiny vo vyvažovacej nádobe. Pri rovnováhe platí M 1 =M V, kde M V je vyvažovací moment. Ak predpokladáme, že hmotnosť meracej nádobky je zanedbateľná v porovnaní s hmotnosťou tekutiny, pri dosiahnutí rovnováhy na páke je moment vytvorený prostredníctvom hmotnosti tekutiny v meracej nádobke daný vzťahom: M 1 = ρ 1.V.g.l 1, kde ρ 1 je hustota tekutiny, V jej objem, g zemské gravitačné zrýchlenie v mieste merania, l 1 veľkosť ramena páky vytvorenej vzdialenosťou závesného bodu meracej nádobky od stredu metra. Objem meranej tekutiny nie je potrebné číselne určovať, je určený vyznačením rysky v meracej nádobe. Z hľadiska presnosti je lepšie, ak je ryska v zúženej časti nádoby, napríklad na hrdle malej fľaše. Pri meraní postupujeme nasledovne: do meracej nádobky nalejeme destilovanú vodu (ρ 1 ) až po vyznačenú rysku. Meraciu nádobku zavesíme čo najďalej od oporného bodu (stredu) páky, nie však na úplný koniec (dosiahneme tým možnosť meracie rameno zväčšiť v prípade, že hustota neznámej kvapaliny je menšia ako hustota destilovanej vody). Pomocou vyvažovacej nádobky páku vyvážime. Následne z meracej nádobky vylejeme vodu a naplníme ju po vyznačenú rysku tekutinou, ktorej hustotu ρ 2 zisťujeme. Polohu zavesenia meníme dovtedy, kým nedosiahneme rovnovážny stav. Vzhľadom na rovnosť momentov síl meracej nádobky v prvom a druhom prípade a vyvažovacieho momentu dostaneme pre výpočet hustoty neznámej tekutiny jednoduchý vzťah: ρ 2 = l 1, l 2 ( ρ 1 1 gcm -3 ). Nepresnosť merania spôsobenú hmotnosťou meracej nádobky môžeme kompenzovať pomocou nádobky rovnakej hmotnosti, ktorú na vyvažovacej strane zavesíme v rovnakej vzdialenosti od otočného bodu páky.(obr.2) Vzhľadom na to, že k tejto metóde určenia hustoty kvapaliny nepotrebujeme presné váhy, ani kalibrované odmerné nádoby je metóda široko použiteľná. Študentom môžeme uviesť pomôcky, ktoré majú k dispozícii a určenie hustoty neznámej kvapaliny im zadať ako problémovú úlohu. [3] Archimedov zákon a kráľovská koruna Ak chceme overiť pochopenie Archimedovho zákona študentmi môžeme im položiť nasledovnú otázku: Kráľ je ponorený v bazéne vo vzpriamenej polohe s kráľovskou korunou na hlave. Náhle mu koruna spadne z hlavy do bazéna. Zmení sa hladina vody v bazéne? Čo sa stane s hladinou vody, ak sa kráľ ponorí do bazéna za korunou? Po položení otázky zistíme, že odpovede študentov sú váhavé a častokrát aj nesprávne. Vhodne zostavený demonštračný experiment im pomôže nájsť správnu odpoveď aj jej fyzikálne zdôvodnenie. Použijeme: väčšiu nádobu, menšiu nádobu, ktorú možno vzduchotesne uzavrieť a mince. Aby bol výsledok dobre viditeľný a presvedčivý je potrebné zvoliť vhodné rozmery nádob väčšej, ktorá predstavuje bazén a menšej predstavujúcej kráľa. Kráľovskú korunu nahradia mince, ktoré umiestnime na vrch menšej uzavretej nádoby. Potopenie kráľa a jeho udržanie v ponorenom stave môžeme dosiahnuť pomocou magnetov. Jeden neodýmový magnet umiestnime do menšej nádoby a pomocou druhého umiestneného pod nádobu bazén dosiahneme potopenie kráľa, teda menšej nádoby pod hladinu. [4] Žiaci budú pozorovať, že pri spadnutí koruny sa hladina v bazéne (H2) oproti pôvodnej hladine (H1) zníži. Po ponorení kráľa za korunou zaznamenajú zase zvýšenie hladiny (H3) (obr.3). V diskusii o výsledku experimentu je potrebné zdôrazniť hlavne tieto skutočnosti: ponorené teleso je nadnášané vztlakovou silou, ktorá sa rovná tiaži kvapaliny ním vytlačenej; plávajúci objekt vytlačí množstvo kvapaliny, tiaž ktorej je rovná jeho vlastnej tiaži; kráľ s korunou na hlave predstavuje nerovnorodé teleso s priemernou hustotou menšou ako hustota vody. Po zvážení týchto skutočností a prípadnom zapísaní matematických vzťahov, študenti obvykle chápu a vedia vysvetliť výsledok experimentu

189 Obr.3 Hladina vody v jednotlivých fázach experimentu Vyrobme si dúhu Na realizáciu pokusu budeme potrebovať: 4 priehľadné poháre, vodu, potravinárske farby žltú, zelenú, červenú a modrú, priehľadnú slamku a soľ. Na stôl si pripravíme štyri poháre naplnené vodou sýto zafarbenou potravinárskymi farbami na modro, červeno, žlto a zeleno. Postupne ponárame priehľadnú slamku do jednotlivých pohárov. Najprv ponoríme slamku asi 2 cm do pohára s modrou farbou. Uzavrieme otvor slamky prstom a prenesieme ju do pohára s vodou červenej farby. Opätovne ponoríme do hĺbky asi 2 cm, následne uvoľníme prst na slamke ponoríme ju 2 cm hlbšie a opäť uzavrieme prstom. Žiakom položíme otázku: Aká farba bude v slamke po jej vytiahnutí? Žiaci ovládajú miešanie farieb a očakávajú, že výsledná farba bude fialová. Na ich prekvapenie, po vytiahnutí z pohára sa objaví v slamke stĺpček modrej farby a pod ním stĺpček farby červenej, čo znamená, že farby sa nezmiešajú. Ak budeme postupovať popísaným spôsobom ďalej objaví sa nám v slamke po vytiahnutí farebná dúha. (obr. 4) Žiaci riešia problémovú úlohu: Ako vysvetliť, že kvapaliny sa nezmiešali? K nájdeniu správnej odpovede im môže pomôcť realizácia ďalších pokusov: pokusu, pri ktorom uvedeným postupom ponoria slamku najskôr do oleja potom do vody a pokusu, pri ktorom sa to isté vajíčko v zdanlivo rovnakých kvapalinách správa rozdielne. V jednej sa ponorí a v druhej pláva. Takýmto experimentovaním spoločne so žiakmi dospejeme k vysvetleniu pokusu, že zafarbená voda v pohároch má rozdielnu hustotu, čo dosiahneme pridaním soli. Najmenej soli pridáme do pohára s modro zafarbenou vodou a postupne pridávame, čo znamená, že do vody so zelenou farbou pridáme soli najviac. Pokus je vhodný pre overenie pochopenia pojmu hustota kvapalín. Správne pochopenie môžeme overiť dodatočnou otázkou: Čo sa stane, keď slamku obrátime? [5] Obr. 4: Dúha v slamke

190 Ako vytvoriť farebné mozaiky Použitím priehľadnej lepiacej pásky a polarizačných filtrov možno vytvoriť nádherné farebné mozaiky pripomínajúce sklenené vitráže v kostoloch. Na realizáciu tohto pokusu budeme potrebovať: 2 polarizačné filtre (môžeme použiť aj polarizačné filtre zo súpravy pre optiku), kúsok skla alebo plexiskla, priehľadnú lepiacu pásku a nožnice. Vhodnosť lepiacej pásky na realizáciu pokusu otestujeme tak, že nalepíme kúsok pásky na jeden polarizátor a druhým priloženým polarizátorom otáčame. Ak páska mení svoju farbu, je vhodná. Ak farba ostáva stále rovnaká, páska vhodná nie je. Kúsok skla alebo plexiskla polepíme lepiacou páskou náhodne krížom krážom tak, aby sme dosiahli miesta, kde sa bude prekrývať a križovať viac vrstiev lepiacej pásky. Takto pripravený kúsok skla potom vložíme medzi polarizačné filtre. Pri otáčaní vrchného polarizátora, sledujeme meniace sa farebné mozaiky(obr.5). Farby, ktoré pozorujeme sú výsledkom rozdielov v rýchlosti polarizovaného svetla prechádzajúceho vrstvami lepiacej pásky. Svetlo prechádza páskou v dvoch rozdielnych smeroch (ťahom pri výrobe pásky sa vytvoril umelý dvojlom). Ak polarizované svetlo vstupuje do pásky jeho smer polarizácie nemusí byť rovnobežný s dĺžkou pásky, znamená to, že polarizovaný lúč sa rozdelí do dvoch zložiek - jednej rovnobežnej s dĺžkou pásky a druhej na ňu kolmej. Vlny tvoriace tieto zložky sú spočiatku vo fáze, ale pretože prechádzajú páskou rozdielnou rýchlosťou, fázovo sa posunú a tak ich maximá už nebudú vo fáze. Keď takto posunuté vlny vystupujú z pásky na druhej strane, skladajú sa a vytvoria svetlo s rozdielnou polarizáciou ako malo pôvodné svetlo. Čím hrubšia je vrstva lepiacej pásky, tým viac fázovo posunutých zložiek vznikne a tým väčšia zmena polarizácie nastane. Pretože biele svetlo je zložené zo svetla rozdielnych farieb a vlnových dĺžok a index lomu lepiacej pásky pre každú z týchto farieb je rôzny, znamená to, že každá farba má vlastnú dvojicu rýchlostí prechodu cez pásku. Výsledkom je to, že pre každú farbu bude polarizácia zmenená rôzne v závislosti od hrúbky vrstvy pásky. Ak položíme navrch druhý polarizátor prepúšťa rozdielne farby v rozdielnych smeroch. To je príčinou vzniku farebných mozaík pri jeho otáčaní.[6] Obr. 5: Pozorované farebné mozaiky

191 Záver Pokusy prezentované v príspevku dokumentujú, že mnohé zaujímavé pokusy je možné realizovať pomocou jednoduchých pomôcok a verím, že inšpirujú aj ostatných učiteľov k vlastnému experimentovaniu. Verím, že ak poskytneme žiakom možnosť prostredníctvom aktívneho poznávania realizovať vlastné objavy, samostatne nachádzať fyzikálne zdôvodnenia či vysvetlenia pozorovaných javov postupne sa prestanú fyziky báť. Poďakovanie Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. LPP Literatúra [1] HAVERLIKOVÁ, V Tvorivo-objavná dielňa: meranie tlaku. In: Zborník príspevkov zo IV. odbornej konferencie s medzinárodnou účasťou Quo vadis vzdelávanie k vede a technike na stredných školách. Bratislava : Mladí vedci Slovenska, s ISBN [2] PLANIŠIČ, G. A Soda cans aid teaching of thermal conductivity. In: The Physics Education, Vol. 46, March 2011, pg [3] CHATTOPADHYAY, K. N Finding the density of a liquid using a metre rule. In: The Physics Education, Vol. 43, March 2008, pg [4] NOPPARATJAMJOMRAS, S., PANIJPAN, B Emperor s crown model teaches fluidics. In: The Physics Education, Vol. 45, March 2010, pg [5] Stránka AMD ČR. [citované 30. máj 2012], dostupné na: [6] Stránka Snacks. [citované 30. máj 2012], dostupné na: [7] ONDEROVÁ, Ľ Niekoľko nápadov pre vyučovanie fyziky III. In: Drozd, Z.: Zborník z konferencie Veletrh nápadů učitelů fyziky Praha: Prometheus 2011, s ISBN Adresa autora RNDr. Ľudmila Onderová, PhD. Oddelenie didaktiky fyziky Ústav fyzikálnych vied PF UPJŠ v Košiciach Park Angelinum Košice ludmila.onderova@upjs.sk

192 ELEKTROMAGNETICKÝ LEVITÁTOR Stanislav Ondruš Gymnázium Púchov Abstrakt: Predkladaná práca je venovaná zaujímavému javu elektromagnetickej levitácie a praktickej konštrukcii vlastného funkčného elektromagnetického levitátora, pracujúceho s využitím optickej brány. Zhotovený elektromagnetický levitátor môže slúžiť ako učebná pomôcka na hodinách fyziky, pre ľahšie pochopenie princípu vzniku elektromagnetického javu a možnosti jeho využitia na levitáciu rôznych kovových predmetov. Kľúčové slová: levitácia, elektromagnetizmus, oscilácia, optická brána Úvod Prácu na tému elektromagnetický levitátor sme sa rozhodli vypracovať preto, že jav levitácie pokladáme za veľmi zaujímavý a princíp funkcie tohto zariadenia na báze elektromagnetizmu je jednoduchý a medzi ľuďmi nie je veľmi známy. Z tohto dôvodu sme sa ho rozhodli aj vyrobiť. Hlavným cieľom práce bola praktická konštrukcia funkčného elektromagnetického levitátora, pracujúceho s využitím optickej brány, ktorý môže slúžiť ako učebná pomôcka na hodinách fyziky, pre ľahšie pochopenie princípu vzniku elektromagnetického javu. 1. Elektromagnetický levitátor Pojmom levitátor[1] označujeme zariadenie, ktoré dokáže spôsobiť vznášanie -levitáciu nejakého predmetu. Najčastejším typom levitátorov sú elektromagnetické levitátory. Elektromagnetické levitátory zabezpečujú levitáciu vďaka regulovanému elektromagnetickému poľu, ktoré pôsobí na kovový predmet a udržuje ho v stave vznášania - levitácie. 1.1 Elektromagnetický levitátor s využitím optickej brány Princíp tohto levitátora je založený na optickej regulácií elektromagnetu (proporcionálna regulácia). Čím je kovový predmet ďalej od magnetu, tým je intenzita elektromagnetického poľa elektromagnetu väčšia a čím je kovový predmet k elektromagnetu bližšie, tým je sila elektromagnetu menšia. Na detekciu vzdialenosti predmetu od cievky sa používa optická brána, ktorá pozostáva z vysielacej časti, tvorenej ľubovoľným vysielačom elektromagnetického žiarenia danej vlnovej dĺžky a prijímača, schopného zaznamenávať danú vlnovú dĺžku vysielaného žiarenia. Podmienkou funkčnosti zariadenia je možnosť prerušenia tohto žiarenia vložením kovového predmetu medzi prijímač a vysielač. Ako zdroj vysielaného žiarenia môže byť použitý laser, LED dióda alebo iný zdroj žiarenia. Prijímacia časť pozostáva zväčša z fotodiódy alebo fototranzistora. Najčastejšie sa používa infračervené spektrum žiarenia, lebo diódy emitujúce viditeľné spektrum by osvetľovali levitujúci predmet viditeľným svetlom, čo by mohlo pôsobiť rušivo na pozorovateľa. 2. Konštrukcia levitátora Srdcom tohto levitátora je operačný zosilňovač OZ 1458, ktorého výstup je privedený na MOSFET tranzistor IRFZ44, ktorý reguluje prúd na cievke elektromagnetu. Prúd na cievke je regulovaný optickou bránou, ktorá na základe prerušovania lúča žiarenia medzi IR diódou a IR fotodiódou, dokáže určiť vzdialenosť k elektromagnetu. Teda čím je kovový predmet od elektromagnetu ďalej, tým je intenzita elektromagnetu väčšia a čím je kovový predmet k elektromagnetu bližšie, tým je

193 sila elektromagnetu menšia. Hodnota prúdu v cievke preto osciluje na vysokej frekvencii a umožňuje držať predmet v polohe medzi padnutím a prichytením sa. Výsledným efektom je teda vznášanie sa predmetu levitácia v priestore pod elektromagnetom. Obr. 1: Elektromagnetický levitátor Obr. 1: Elektromagnetický levitátor

194 Záver Elektromagnetický levitátor je zaujímavé zariadenie a veríme, že jeho princíp nadchne nejedného človeka. Poďakovanie Dovoľujem si touto cestou poďakovať konzultantke práce pani profesorke Mgr. Márii Pastorkovej za cenné rady pri tvorbe práce a Fakulte priemyselných technológií v Púchove za pomoc pri zabezpečení navinutia cievky a vyleptaní plošného spoja. Moja veľká vďaka patrí Jozefovi Boginovi za jeho trpezlivosť, užitočné rady a pomoc s osadením plošného spoja a tiež môjmu dedkovi za pomoc pri upevnení stojana levitátora. Literatúra [1] Mirracle, Levitátor s použitím optickej brány, [online] Publikované [citované ] Dostupné na: < Adresa autora Stanislav Ondruš Gymnázium Púchov Ul. 1. mája Púchov stanley.ondrus@gmail.com

195 E-LABORATÓRIA NA INTERNETE A ICH IMPLEMENTÁCIA DO EDUKAČNÉHO PROCESU Miroslava Ožvoldová Trnavská univerzita v Trnave, Pedagogická fakulta, Katedra fyziky Abstrakt: Príspevok predstavuje prehľad vybraných, v súčasnosti aktívnych, e-laboratórií dostupných prostredníctvom internetu. Cieľom príspevku je rozšírenie povedomia v učiteľskej verejnosti o tomto novom spôsobe experimentovania a jeho širšieho využívania v edukačnom procese na základnej a strednej škole. Uskutočnený prieskum totiž ukazuje, že doteraz len málo učiteľov o tejto možnosti vie. Aj tí, ktorí o existencii e-laboratórií vedia, ešte ich potenciál v dostatočnej miere nevyužívajú. Príklady doterajšieho využívania e-experimentov a získané výsledky budú prezentované. Kľúčové slová: fyzika, e-experiment, vzdialený reálny experiment, Internet, e-laboratórium Spoločnost IKT a vzdelávanie Cieľ univerzít je už celé storočia ten istý, ale svet, ktorý ich v súčasnosti obklopuje, sa však výrazne zmenil. Informačné a komunikačné technológie (IKT) zasiahli do všetkých sfér života. Prakticky všetky profesie a pracovné miesta v súčasnej dobe používajú počítače a mnoho druhov IKT. V každodennom živote figuruje využívanie digitálnych technológií, ako sú mobilné telefóny pre komunikáciu, hracie stanice (play station) pre zábavu, i - pody pre hudbu, i-pady pre čítanie kníh a časopisov, GPS na správnu orientáciu pri cestovaní, internet s Googlom a Wikipediou na vyhľadávanie informácií, YouTube pre zdieľanie videa, Face book a iné sociálne siete na komunikáciu, a mnoho ďalších. Dalo by sa očakávať, že nová generácia 21. storočia bude veľmi dobre oboznámená s týmito technológiami a dobre schopná ich používať pre rôzne druhy učenia. Je tomu tak v skutočnosti? Stačia držať krok vzdelávacie technológie sami o sebe s neustálym rozvojom IKT pri ich implementácii do edukačného procesu a to efektívnym spôsobom? Sme schopní, najmä v predmetoch, ktoré sú založené na experimentovaní v laboratóriu držať krok s prudkým tempom vývoja a sú mladí jedinci ochotní sa vzdelávať aj na inej ako úžitkovej úrovni? Je zaujímavé pre mnohých ako veci fungujú? Pri takomto náraste informácii a rýchlom tempe života, asi to nie je ani celkom zvládnuteľné. Ale informačná spoločnosť potrebuje vysokokvalifikovaných ľudí a vzdelávacie prostriedky a techniky, ktoré naplno dovoľujú využiť vysokorýchlostný internet, malé, lacné ale pritom výkonné počítače, video zariadenia, digitálne knižnice a ďalšie nástroje, ktoré sú teraz k dispozícii. Aká je situácia v oblasti edukácie? Vieme, že vzdelávanie na všetkých stupňoch je v súčasnosti pod obrovským tlakom, aby zodpovedalo vysokým nárokom, či už v počte študentov, kvalite vzdelávania, tempe života, potrebám odborníkov alebo ekonomickému rozvoju. Informačná spoločnosť kladie neustále vyššie a vyššie nároky na vzdelávanie za rovnakých, alebo nižších finančných dotáciách. Napriek tomu možno pozorovať, že úroveň poskytnutého technického vybavenia škôl sa postupne u nás vylepšuje. Počítače boli implementované do oblasti vzdelávania od roku 1970 v Európskych krajinách, u nás nástup bol pomalší. Rovnako je to i s multimediálnymi aplikáciami, ktoré nastupujú okolo roku Od roku 2000 sú používané webové kamery, video nástroje a internetové aplikácie a nové technické pomôcky, ako sú dátové projektory a interaktívne tabule. Sme svedkami toho ako sa školy pomaly transformujú na nové podmienky, v ktorých sa v hojnej miere efektívne využívajú IKT, pričom rola učiteľa sa pomaly transformuje na facilitátora učenia a učenia sa prostredníctvom vlastných aktivít žiaka, či študenta. Sú učitelia dostatočne pripravení na tieto zmeny a na efektívne využívanie najnovších technických

196 a didaktických prostriedkov? Vieme všetky tieto technické nástroje, ktoré máme k dispozícii, správne využívať po metodologickej i obsahovej stránke? Ukazuje sa, že nové technológie majú menší vplyv na zdokonalenie výučby a učenie sa, než sa očakávalo. Napríklad, ako sa uvádza v projekte FP7-ICT / FP ICT-FoF (GIRWIDZ Raimund 2012) správa European Schoolnet (2006) sumarizuje získané výsledky vplyvu IKT na vzdelávanie v škole. Okrem pozitiv IKT, však uvádza tri základné bariéry: nevhodný vzdelávací softvér, nedostatočné kompetencie učiteľov pracovať s IKT a ich nedostatok skúseností s projektovo orientovanými aktivitami. Všetky tri problémy možno riešiť prostredníctvom širšieho implementovania experimentovania, vychádzajúc z reálnych javov okolitého sveta do výučby a projektového vyučovania, ktoré podporuje vlastné aktivity študentov. Vidíme, že experiment a experimentovanie vo výučbe vždy bol a bude, neodmysliteľnou súčasťou prírodovedného a technického vzdelávania. Rozvoj IKT podmienil možnosť počítačom podporovaného experimentovania a následne ovládanie experimentu na diaľku prostredníctvom internetu. Tak vzniká možnosť vytvoriť kompletný celok pre e-learningové vzdelávanie i v oblastiach prírodovedného a technického vzdelávania, kde je nutnosť experimentovať a to aj prostredníctvom e-laboratórií. Otvára sa príležitosť do výučby implementovať i tento nový druh experimentovania a tak podporiť zmenu vo vzdelávaní a dosiahnuť aby študenti získané vedomosti vedeli priradiť k reálnym situáciám okolitého sveta, čo vedie k jeho hlbšiemu porozumeniu. Cieľom príspevku je ozrejmiť pojem e-laboratória, predstaviť vybrané e-laboratória dostupné prostredníctvom Internetu a zhodnotiť situáciu ako ich možno využívať v edukačnom procese na základnej a strednej škole E-experiment Na úvod si objasnime si, čo rozumieme po pojmom e-experimentu a e-laboratórium. Je dobre známe, že predpona e sa viaže na slovo elektronický, t.j. na činnosti spojené s prácou na počítači. S nástupom nových technológií sa však toto slovo spája skôr s využívaním nových IKT, ktorých spoločným znakom sú služby poskytované prostredníctvom sietí, či vonjakších akým je Internet, alebo aj lokálnych, ako sú intranet alebo ethernet. Najčastejšie sa spája s pojmom e- learning, ktorý úzko súvisí s pomom e-laboratórium, resp e-experimentu. Jedna z mnohých definícii je: E-learning označuje aplikáciu nových multimediálnych technológií a Internetu k zlepšeniu kvality vzdelávania, posilnenia prístupu k zdrojom, službám, k výmene informácií a k spolupráci vzdelávacej komunity, ktorú výstižne dopĺňa výrok Ruttenbura: Skutočná sila e- learningu nie je v poskytovaní informácií kdekoľvek, kedykoľvek, odkiaľkoľvek, a komukoľvek, ale v jeho možnostiach poskytovať správne informácie, správnym ľudom, v správnom čase a na správnom mieste (Ruttenbur B.W. 2000). Z uvedeného možno dedukovať, že e-experiment sa tesne viaže na e-learning a dokonca je nevyhnutným jeho článkom práve pre prírodovedné a technické disciplíny, v ktorých experimentovanie je nepostrádateľnou súčasťou. Takže jednoducho povedané, pod e-experimentom budeme rozumieť počítačom (PC) podporovaný experiment. Tento môžeme klasifikovať z dvoch hľadísk. Prvé hľadisko rozlišuje akým spôsobom je realizované meranie. Z tohto pohľadu možno e-experiment rozdeliť na reálny a virtuálny. Reálny e-experiment prebieha na reálnom technickom zariadení umiestnenom v reálnom laboratóriu a zber dát je realizovaný s podporou počítača. Pod virtuálnym e-experimentom rozumieme taký e-experiment, ktorý pozorujeme prostredníctvom počítača, na ktorom je spustená aplikácia, realizovaná na základe naprogramovaného zvoleného modelu. Druhé hľadisko na základe, ktorého klasifikujeme e-experiment je z pohľadu polohy experimentátora a technického zariadenia, na ktorom sa experimentovanie uskutočňuje. Môžu nastať dva prípady: 1. Experimentátor a technické zariadenie je na rovnakom mieste obvykle v laboratóriu. Ak získavanie experimentálnych dát sa realizuje pomocou PC pripojeného na experiment

197 prostredníctvom vhodného fyzikálneho softwaru a hardwaru - hovoríme o laboratórnom (reálnom) PC podporovanom experimente (tzv. hands on). 2. Ak reálne technické zariadenie je v reálnom laboratóriu, ale experimentátor sa v tomto laboratóriu nenachádza, ale ovláda experimentálne zariadenie na diaľku. Spojenie sa realizuje na báze server - klientskeho spojenia PC experimentátora cez internetové pripojenie sa na počítač, ktorým je riadený reálny experiment. Hovoríme o vzdialenom experimente, alebo reálnom vzdialenom e-laboratóriu. Napríklad De La Torre (2011) i v prípade jedného vzdialeného experimentu hovorí o e-laboratóriu. Hore uvedenú klasifikáciu sumarizuje Obr. 1. (Niederstätte, 2012). Obr. 1: Klasifikácia experimentov z pohľadu vzájomnej polohy experimentátora a zariadenia Ďalšia možnosť, ktorú priniesol rozvoj IKT je možnosť mobilného experimentu, kde experimentálne zariadenie spolu s PC je prenosné a môže byť realizované kdekoľvek vo vhodných podmienkach (miesto realizácie je považované za lokálne laboratórium a jedná sa o reálny experiment známy ako hands on experiment). Schematické znázornenie tvorby e-experimentu prostredníctvom Internetového školského experimentálneho systému (ISES) prezentuje Obr. 2. Jedná sa o e-experiment Voľný pád mognetu v trubici, voľne prístupný z adresy alebo priamo na adrese Obr. 3 prezentuje štyri servre (Web server, merací server, zobrazovací a HTTP server), pomocou ktorých sa realizuje vzdialené experimentovanie cez internet. Záverom tejto časti možno uviesť, že súbor e-experimentov dostupných z jednej vstupnej WWW stránky tvorí reálne vzdialené e-laboratórium. Katedra fyziky Pedagogickej fykulty Trnavskej univerzity vybudovala prvé slovenské prírodovedné e-laboratórium, voľne prístupné kde je i ďalších osem experimentov, o ktorých ešte budeme hovoriť. Obr 2: Schematické znázornenie tvorby e-experimentu na báze systému ISES

198 Obr. 3 Realizácia vzdialeného experimentu prostredníctvom servrov: Web server, merací server, zobrazovací a HTTP server V súčasnosti sa na Internete nachádza už množstvo e-laboratórií. Vidíme, že futuristická myšlienka zdieľania laboratórií cez Internet so vzdelávacím zameraním, ktorá bola prezentovaná už na začiatku deväťdesiatich rokoch 20. storočia v USA Aburdenom a kol. (1991), sa ujala a postupne sa udomácňuje. No väčšina existujúcich e-laboratórií je voľne prístupných len pre študentov univerzity, ktorej pracovisko sa podieľalo na jeho vybudovaní. Avšak možno nájsť aj také e- laboratória, ktoré sú voľne prístupné bez akéhokoľvek prihlasovania, alebo až na základe vypísania požadovaných vstupných údajov. V oblasti školstva je väčšina vzdialených experimentov elektrotechnických, strojárskych a len približne 20 % fyzikálnych (GRÖBER at al. 2008). Tieto sú väčšinou realizované v prostredí LabVIEW, ktoré je práve vhodné pre automatizáciu a reguláciu procesov. Ako príklad možno uviesť e-laboratória: na chádzajúcih sa na adresách (Beňo, 2O11): TELELAB automatického riadenia so zaujímavými vzdialenými experimentmi objasňujúce rôzne časti technického učiva (motor, magnetickej levitácie, vrtuľník, robot LEGO, nádrže); - prezentuje modely riadenia procesov na úrovni premenných, prietoku, teploty a iných mechanizačných prostriedkov; RECOLAB poskytuje všeobecné informácie o architektúre na simuláciu riadenia systémov a vzdialené spustenie na fyzikálnych modeloch v reálnom čase (napr. servomotor) pomocou Matlab / Simulink; projekt tele-laboratóriá systém pre diaľkové ovládanie skutočného priemyselného ramena robota, ktorý vie manipulovať s objektmi na základnej doske; sám využíva komplexný klientsky softvér a iné. Softvér a hardvér LabVIEW je v školskom prostredí z hľadiska svojej ceny v našich školách viac menej nepoužiteľný. V Európe ho využívajú len na univerzitných pracoviskách, University of Antwerp, Belgium, UNED Madrid, Spain or VU University Amsterdam,The Netherlands, University of Salento, Italy (Bochicchio, 2009). V Česku koncom minulého storočia vznikol systém ISES (Lustig, ktorý sa neustále zdokonaľuje a vyvvíja a ako jediný zo systémov umožnujich realizovať počítačom podporovaný experiment umožňuje transformáciu experimentu na vzdialený cez ISES WEB kontrol kit softvér, čo napr. Vernier ani IPCoach neumožňujú. Medzi priekopníkov fyzikálního vzdáleného experimentu možno zaradiť Tompkinsa, A. P., & Pingena, G. (2002), Lustiga F. z MFF KU v Prahe, ktorý prvý vzdialený experiment spustil v r. 2004, Coopera M. z Institute of Educational Technology, Open University, UK, Ferreiru J. M. M. z Faculty of Engineering, University of Porto, Portugal. Nesporne v začiatkoch vzniku vzdialeného experimentu v Európe žiaril prof. Jodl. H. z Technische Universität in Kaiserslautern, Germany a jeho WWW stránka s Remotely controlled Laboratories (RCLs) voľne prístupná z adresy (obr. 4), v súčasnoti so 16 vzdialenými experimentmi spolu s dokumentáciou v nemeckom a anglickom jazyku

199 Obr. 4 WWW stránka RCL-s so vzdialenými experimentaci Prvý projekt s tematikou budovania vzdialených experimentov bežal pod acronymom PEARL (Practical Experimentation by Accessible Remote Learning v rokoch 2000 až 2003 a nadviazal na počítačom podporované (CBL) a dištančné vzdelávanie. Európska únia podporila tieto aktivity až do výšky US $2 millionov na rok pre 30 riešiteľov projektu. Kordinátorom bol Cooper M. z Open University UK. Riešitelia boli: University of Dundee; Trinity College Dublin, Faculty of Engineering of the University of Porto and Zenon S.A. of Athens. V rámci aktivít the European Commission s Leonardo davinci programme sa štyri krajiny (Nemecko, Portugalsko, Škótsko a Grécko a Cyprus) zapojili do vzdelávacieho a tréningový projekt MARVEL ( Jeho cieľom bolo vytvoriť pre učňov na predmet Mechatroniku sprievodné dokumenty k e-experimentom a implementovať ich do LMS MOODLE. a vyhodnotiť efektivitu takého výučbového prostredia. Tretím riešeným projektom (máj 2009 november 2011) bol projket LILA (Library of Labs) Vstupnú stránku projektu prezenuje Obr Koordinátor projektu bol Dr. David Boehringer z Nemecka, který MANAžOVAL RIEšITEĽOV Z Ôsmicg európskyc univerzít a troch výskumných pracovísk. Výsledkom, ako udávajú na www. Bookovací systém k 218-tim virtuálnym 41 reálnym vzdialeným experimentom z oblastí: fyzika (150), chémia (6), inžinierstvo (7), matematika (75) a počítačové vedy (21). Nosným pracoviskom pre budovanie a implementáciu vzdálených experimentov bola Remote Farm vybudovaná pracovníkmi Katedry fyziky tuhých látok v Technickej univerzity v Berlíne pod vedením prof. Thomsona. Obr. 5: Vstupná WWW stránka projektu LILA s riešiteľmi

200 Obr. 6: Experimenty dostupné cez Remote farm Praktikum realizované cez vzdialené experimenty sú dostupné po požiadavke a udelení vstupu na Prezentujú 15 experimentov, ktorých názvy možno prečítať na obr. 6 po ľávej strane. Najčastejšie používanými e-laboratóriami pre vysokoškolský kurz fyziky sú e-laboratória fyzicky umiestnené na MFF UK V Prahe. Projekt E-Laboratoř, realizovaný v spolupráci s Trnavskou univerzitou v Trnave a univerzitou Tomáše Bati ve Zlíne (Schauer a kol. 2010) je dostupný na (Obr. 7a, b). V súčasnosti poskytuje desať experimentov spolu so študijnou dokumentáciou v skladbe: Motivácia, Úvod, Fyzikálny základ, Experimentálne zariadenie, Návod k experimentpm, Zadanie úloh, Experimentálne usporiadanie a Spustenie experimentu. Sedem experimentov je ako v českej, slovenskej tak anglickej verzii voľne dostupných. Prehľad počtu prístupov k siedmym experimentov e-laboratória prezentuje Tab. 1. Obr. 7: Projekt e-laboratória dostupný na (hore- vstupná stránka, dolu - dostupné e-experimenty)

201 Tabuľka 1 Vývoj počtu prístupov do e-laboratória na ku dňu Dátum monitorovani a Vodná hladina Meteorologia Praha Faraday Electromag. indukcia Kmity na pružine X 2006 Premena slnečnej energie Difrakcia na mikroobj. VI 2007 Spustenie experimentu IV 2004 XII 2005 X 2006 X 2006 VIII/ IV/ III/ VI/ XI/ IV/ = IV/ XI/2011 = Na báze systému ISES bolo vybudované aj Prvé prírodovedné slovenské e-laboratórium (Obr. 8), voľne dostupné na Ožvoldová a kol. 2011). Σ Obr. 8: Vstupná stránka do prvého slovenského prírodovedného e-laboratória na s experimentmi uvedenými vľavo hore. V súčasnosti e-laboratórium ponúka desať e-experimentov, voľne prístupných sedem dní v týždni, 24 hodín denne (7/24) na adresách prístupných buď cez spoločnú vstupnú stránku e-laboratória alebo cez priame adresy na experimenty: kde i = 1, 2, 8. Na stránke sú prístupné nasledovné experimenty: - Monitoring počasia v Trnave. Experiment monitoruje teplotu, tlak a intenzitu slnečného svitu na Pedagogickej fakulte Trnavskej univerzity v Trnave; - Elektrochemický článok, prezentuje prvý pokus realizácie vzdialeného experimentovania z chémie na Slovensku a jeden z málo z voľne dostupných fungujúcich chemických vzdialených experimentov na svete;

202 Prenos energie v oscilátoroch. Experiment poskytuje na signály budiaceho napätia a prúdovej odozvy a na ich fázový posuv pre budiacu frekvenciu nastaviteľnú v širokom intervale frekvencií; -Voľný pád v tiažovom poli. Usporiadanie experimentu umožňuje dve varianty a to merať závislosť okamžitej polohy padajúceho magnetu ako funkcie času na alebo závislosť indukovaného napatia ako funkcia času na Takáto realizácia umožňuje využívanie experimentu nielen v mechanike ale i v elektromagnetizme; - Matematické kyvadlo - experiment s neobvyklým riešením, ktoré spočíva v zápise okamžitej uhlovej výchylky kyvadla ako funkcia času; Prechodové javy v RLC obvodoch -úloha poskytuje štúdium: a) oscilácií RLC obvodu, b) vplyvu sériovo a paralelne zaradeného odporu na koeficient útlmu b a určenie parametrov R, L a C v obvode. Zdroj jednosmerného napätia -experiment umožňuje meranie energie prenášanej zo zdroja elektromotorického napätia do obvodu so záťažou a určovanie podmienoky pre najefektívnejší prenos energie, ktorú dodáva zdroj elektromotorického napätia do záťaže; - Emisia žiarenia luminiscenčných diód- cieľom experimentu je preskúmať energiu fotónov v závislosti od šírky zakázaného pásma polovodičov, t.j. závislosť medzi energiou a otváracím napätím LED diódy. V Českej republike následníkom budovania vzdialených fyzikálnych experimentov je aj Univerzita Palackého v Olomouci. Na (Obr. 9) možno otvoriť pät vlastných experimentov a linky na niektoré z vyššie uvedených českých a slovenských e- experimentov Obr. 9 Vzdialené e-laboratórium na Univerzite Palackého v Olomouci Ak sa prenesiem do zámoria, nie je možné nespomenúť e-laboratória: - na MIT v USA s názvom ilab (Obr. 10)

203 Obr. 10: Online ilab na MIT v USA - UTS Remote Labs UTS:Engineering Remote Laboratory Program (Sydney) na Technickej univerzite v Sydny, Australia (obr. 11) dostupné na adrese Obr. 11 UTS Remote Labs na Technickej univerzite v Sydny, Australia - alebo spoločné austrálske e-laboratórium LabShare Australia vybudované na základe národného projektu National Support for Laboratory Resource Sparing dostupného na adrese (Obr. 12)

204 Obr. 12 LabShare Australia na Nakoľko problematika je veľmi aktuálna, e-laboratórií pribúda neustále a nie je možné vymenovať všetky zaujímavé. Snáď pre čitateľa stojí za zmienku informácia o dvoch najnovších monografiích z tejto problematiky: Two Little Ducks in Remote Experimentation (ZUBIA et al., 2011) a Internet Accessible Remote Laboratories, Scalable E-Learning Tools for Engineering and Science Disciplines (Azadet al. 2011), kde čitateľ nájde ďalšie adresy na e-laboratória podľa vlastného záujmu. Využitie e-lalaboratórií vo výučbe Vzdialené experimentovanie je novým výdobytkom využívania IKT v edukačnom procese. Z pohľadu kognitívnych cieľov nám umožňuje rozširovať poznanie, rozvíjať tvorivé myslenie, spájať poznatky do uceleného systému poznania; Z pohľadu edukačných cieľov umožňuje rozvíjanie samostatnosti pri práci, rozvíjať tvorivý prístup, získať a triediť informácie z rôznych zdrojov, prezentovať výsledky svojej práce, argumentovať, pracovať s IKT, zovšeobecňovať výsledky a aplikovať ich na iné situácie, možnosť pracovať s konkrétnymi a vlastnoručne získanými informáciami a možnosť ich vyhodnocovať, zvažovať medzi predmetové vzťahy a i. Naše skúsenosti (Schauer a kol. 2009, 2011, Ožvoldová 2012) a skúsenosti i iných učiteľov ako napr. Nickerson 2007, De La Torre, 2010, Žáková 2009 a další uvedení v zozname práce. Je známe, že vzdialené experimenty sa po ich zrode používali len na univerzitnej úrovni. V súčasnosti ich možno používať na všetkých stupňoch vzdelávania: vysokoškolskom a to ako na bakalárskych, magisterských aj doktorandských študijných programoch (Krempaský, 2011); vyššom sekundárnom pri výučbe fyziky, chémie, matematiky, ako i integrovanej výučbe, (Ožvoldová, 2010, Žovínová, 2008, Kostelníková, 2011); nižšom sekundárnom (Gerhátová, 2011, 2012); primárnom (Žovínová, 2010, 2011, Kostelníková, 2011, Gerhátová 2011, 2012) a dokonca prvé pokusy boli robené aj na predprimárnom stupni (Gerhátová 2010, Čemešová 2011). Metodicky ich možno použiť na prednáške a vysvetľovanie na hodine najmä - ako demonštračný experiment, - laboratórne cvičenia, - na tvorbu príkladov a úloh na základe experimentu, - pre zadania projektu alebo projektového vyučovania - preverovanie vedomostí (skúšanie) a iné

205 Detailne ich využitie diskutujeme v citovaných prácach. Diskusia a záver V predloženom príspevku sme prezentovali vybrané vzdialené laboratória, ktoré možno využívať v prírodovednom a technickom vzdelávaní, avšak najmä vo fyzike. Oproti reálnym ( hands-on ) experimentom majú on-line experimenty viaceré výhody, z ktorých možno uviesť: zdielanie pre školy a vzdelávacie inštitúcie, čim: - odbúravajú nákladné udržiavanie učební na báze kvalitných počítačov, - znižujú celkové náklady na údržbu laboratórií, - umožňujú experimentovať aj tým školám, ktoré nemajú dostatočné technické vybavenie, - umožňujú názornejšie vyučovanie a lepšie pochopenie a zvládnutie preberaných tém, - odstraňujú bariéru pre postihnutých žiakov priestorové a časové problémy, - poskytujú možnosť realizácie experimentov, ktoré nie sú realizovateľné v bežnom laboratóriu (finančný, priestorový, bezpečnostný dôvod), - nevyžaduje sa dohľad vyučujúceho pri meraní žiaka/študenta v laboratoriu; študentom umožňujú: - vyššiu motiváciu a záujem o študovaný predmet, - uskutočniť experiment v ktorejkoľvek hodine na ktoromkoľvek mieste, i opakovane, - okamžité vyhodnocovanie údajov s možnosťou prenesenia na vlastný počítač za účelom ďalšej práce s nimi, prácu s najnovšími technológiami a IKT. Nakoľko vzdialené experimenty sú viazané na prostriedky IKT, ako aj prostriedky prenosu informácií, ich najväčšou slabinou je práve prenos informácie zo servera na klientsku stanicu užívateľa, čo môže mať niektoré následky (Beňo, 2011): nemožnosť: - spustenia daného reálneho experimentu (pomalé siete, nedisponovanie potrebným softvérom klientskou stanicou Java Virtual Machine), - realizovania experimentu pri zhoršenom prenose signálu (prednastavená doba experimentovania), - zdĺhavé experimentovanie, možnosť pádu stránky. Napriek uvedeným nedostatkom možno konštatovať, že: vzdialené experiemntovanie je novým výdobytkom využívania IKT v edukačnom procese. Umožňuje učiteľom realizovať nové formy a metódy vzdelávania a žiakom samostatne experimentovať z pohodlia domova, v ktoromkoľvek čase a opakovane podľa potrieb; e-experimenty tvoria piler pre novú stratégiu vzdelávania Integrovaný e-learning; z prehľadu experimentov na Internete, ktoré sme vyššie uviedli vidíme, že na všetkých stupňoch je variabilia využitia experimentu široká a závisí od aktivity a flexibility a IKT kompetencií a schopností učiteľa; vďaka svojej jednoduchosti a nenáročnosti e-experimenty, vytvorené najmä na báze ISES, je možné ich využívať kdekoľvek, pretože jedinou podmienkou pre ich spustenie je pripojenie sa na internet v nezávislosti na prehliači; (ak uvažujeme bezchybný chod experimentu) a mať počítač s nainštalovanou Javou (Pozn. V prípade potreby je Java voľne dostupná a možno si ju stiahnuť z internetu.) ideálne pre učiteľ a žiaka je prezentovanie experimentu v motivačnej časti hodiny cez interaktívnu tabuľu, ale tiež vo fixačnej časti na upevnenie získaných vedomostí. Veríme, že cestou vzdialeného experimentovania je možné:

206 zvyšovať u žiakov a študentov záujem o štúdium fyzikálnych javov; vzbudiť u nich záujem o vedeckú prácu; naučiť ich vnímať fyziku a experiment ako nedeliteľnú súčasť vied o prírode a svete okolo nás; rozvíjať tvorivé myslenie žiakov/študentov a ich zručnosti integrovane vo viacerých oblastiach súčasne a tým z nich vychovávať samostatných, logicky mysliacich a kreatívnych jedincov súčasnej náročnej a neustále sa vyvíjajúcej informačnej spoločnosti. Poďakovanie Autorka vyjadruje vďaku svojim spolupracovníkom na Katedre fyziky Pedagogickej fakulty Trnavskej univerzity za podporu a aktivity pri budovaní e-laboratória, najmä prof. Františkovi Schauerovi, Petrovi Čerňanskému a svojim doktorandom Žanete Gerhátovej, Michaele Kostelníkovej, Miroslavovi Beňovi a Norbertovi Betákovi. Taktiež vyjadruje vďaku grantovej agentúre KEGA za podporu aktivít realizovaných v rámci projektu 011TTU-4/2012 Energia ako kategória v prírodovednom vzdelávaní prostredníctvom vzdialených experimentov a integrovaného e-learningu. Literatúra [1] ABDULWAHED, Mahmoud, NAGY Zoltan K The TriLab, a novel ICT based triple access mode laboratory education model, Journal Computers & Education, Volume 56 Issue, Elsevier Science Ltd. Oxford, UK, pp [2] ABURDENE, M.F. - MASTASCUSA, E.J. - MASSENGALE, R A proposal for a remotely shared control systems laboratory, Frontiers in Education Conference, Twenty-First Annual Conference. 'Engineering Education in a New World Order.' Proceedings Sep 1991, pp [3] AZAD, A. K. M. AUER, M. E. HARWARD, V. J Internet Accessible Remote Laboratories, Scalable E-Learning Tools for Engineering and Science Disciplines. The USA : Engineering Science Reference, vyd. IG Global, USA. ISBN [4] BEŇO, Miroslav. 2O11. Vzdialený experiment ako súčasť integrovaného e-learningu, Dizertačná práca,pdf UKF v Nitre, august 2011, s.166. [5] BOCHICCHIO, Mario A. - LONGO Antonella Hands-On Remote Labs: Collaborative Web Laboratories as a Case Study for IT Engineering Classes, IEEE TRANSACTIONS ON LEARNING TECHNOLOGIES, Vol. 2. [6] ČEMEŠOVÁ, Adriana Využitie interaktívnej tabule v predškolskom vzdelávaní, Diplomová práca, Trnavská univerzita v Trnave, Pedagogická fakulta, Trnava [7] DE LA TORRE, L. - HERADIO, R. - VARGAS, H. SANCHEZ, J. and DORMIDO, S A Framework for Implementing Virtual and Remote Laboratories in Scientific Courses, Proceedings of the International Conference on Frontiers in Education: Computer Science and Computer Engineering, Las Vegas, USA, July FECS'11, p , ISBN: [8] GERHÁTOVÁ, Žaneta Úloha experimentu v primárnom prírodovednom vzdelávaní. In: Sborník z mezinárodní konference TVV 2011, s ISBN [9] GERHÁTOVÁ, Žaneta Projektové vyučovanie tematického celku Energia v prírode, technike a spoločnosti s využitím integrovaného e-learningu vo fyzike verzus tradičné vyučovanie. In: Acta Facultatis Paedagogicae Universitatis Tyrnaviensis. Trnava, Trnavská univerzita, Pedagogická fakulta, s ISBN [10] GERHÁTOVÁ, Žaneta Projektové vyučovanie vo fyzike s využitím integrovaného e-learningu. Vzájomná informovanosť - cesta k efektívnemu rozvoju vedecko-pedagogickej činnosti. Nitra: PF UKF v Nitre, s ISBN [11] GERHÁTOVÁ, Žaneta ORLÍKOVÁ, Silvia. (v tlači). Na potulkách lesom - predvádzací pracovný zošit pre prácu s interaktívnou tabuľou Activprimary v predprimárnom vzdelávaní, In: Naša škola, PAMIKO, s.r.o. Bratislava

207 [12] GIRWIDZ, Raimund FP7-ICT / FP ICT-FoF: Projekt European Remote Laboratories for Technology-Enhanced Teaching and Learning, citované z European Schoolnet (2006). The ICT Impact Report. A review of studies of ICT impact on schools in Europe. European Communities. [13] GRÖBER, S. - VETTER, M. - ECKERT, B. - JODL, H. J Remotely controlled laboratories: Aims, examples, and experience, American Journal of Physics special theme issue [14] JODL, Hans. J Remotely Controlled Laboratory (RCL), Department of Physics, Technical University of Kaiserslautern, Germany. [citované 8. február 2006], Dostupné na: < [15] KOPECKÝ, Kamil E-learning (nejen) pro pedagogy. Olomouc : HANEX. 2006, ISBN [16] KOSTELNÍKOVÁ, Michaela OŽVOLDOVÁ, Miroslava Svet v pohybe - interaktívna pomôcka s využitím experimentovania cez internet. elearning Hradec Králové. I.vyd.: Gaudeamus, Univerzita Hradec Králové, s ISBN [17] KOTELNÍKOVÁ, Michaela OŽVOLDOVÁ, Miroslava Svet v pohybe/ Trnava : Pedagogická fakulta TU v Trnave, 2011, CD nosič. ISBN [18] KREMPASKÝ, Július SCHAUER, František - OŽVOLDOVÁ Miroslava - ČERŇANSKÝ Peter Učiteľ prírodných vied pre tretie tisícročie (Profil učiteľa integrovanej prírodovedy), 1. vyd. TYPI Universitatis Tyrnaviensis a vyd. VEDA Bratislava 2011, pp. 167, ISBN [19] LINDSAY, E. D., et al. (2007). A Different Kind of Difference: Theoretical Implications of Using Technology to Overcome Separation in Remote Laboratories. International Journal of Engineering Education 23(4).pp. 772±779, [citované 8. apríl 2012], Dostupné na: < [20] LINDSAY, EunGOOD, Malcom. C. (2004) Effects of Laboratory Access Modes upon Learning Outcomes, [citované 8. apríl 2012], Dostupné na: < [21] LIU, Dikai MURRAY, Steve - LOWE, David Remote laboratories in engineering Education: Trends in Students Perceptions. Proceedings of the 2007 AaeE Conference, Melbourne. [citované 8. apríl 2012], Dostupné na: < [22] NIEDERSTÄTTE, M. MAIER, CH. A Semantic Portal for Publication and Exchange of Educational Online Laboratories. In AZAD, A. K. M. AUER, M. E. HARWARD, V. J. : Internet Accessible Remote Laboratories, Scalable E-Learning Tools for Engineering and Science Disciplines. The USA : Engineering Science Reference, pp ISBN [23] NICKERSON, J. et al A model for evaluating the effectiveness of remote engineering laboratories and simulations in education. Computers & Education, 49, pp [24] OŽVOLDOVÁ, Miroslava - SCHAUER, František Remote Experiments in Freshman Engineering Education by Integrated e-learning, kap. 4. pp AZAD et al. Internet Accessible Remote Laboratories: Scalable E-Learning Tools for Engineering and Science Disciplines. vyd. 1. pp IGI Global, USA (e-version), card cover: 2012 ISBN 13: [25] OŽVOLDOVÁ, Miroslava - SCHAUER, František - ČERŇANSKÝ, Peter - GERHÁTOVÁ, Žaneta - TKÁČ, Lukáš - BEŇO, Miroslav - ŽOVÍNOVÁ, Michaela st Slovak Natural Sciences e-laboratory, in: Obzory matematiky, fyziky a informatiky, volume 40, number 2, pp , ISSN [26] OŽVOLDOVÁ, Miroslava - GERHÁTOVÁ, Žaneta Projektové vyučovanie s využitím integrovaného e-learningu, Trnavská univerzita, Trnava 2010, pp CD so zadaniami projektov 66 pp, 1. vyd. VEDA Bratislava, TYPI Universitatis Tyrnaviensis 2010, ISBN [27] RUTTENBUR, B. W. - SPICKLER, B. - LURIE, S. G elearning: The Engine of the Knowledge Economy. Published by Morgan Keegan & Co., July , 109 pp. [citované 10. marec 2012], Dostupné na: < > [28] SCHAUER, František - OŽVOLDOVÁ, Miroslava - LUSTIG, František st Czech-Slovak Internet Natural Sciences Remote e-laboratory (INRe-L) In: Teaching and Learnig Physics today: Challenges? Benefits?, MPTL 15, Reims, Francia. pp [29] SCHAUER, František - OŽVOLDOVÁ, Miroslava - LUSTIG, František Integrated e-learning New Strategy of Cognition of Real World in Teaching Physics, Innovation 2009, World Innovations in Engineering Education and Research, USA, ineer Special Volume 2009, chapter 11, pp , vyd. Arlington, VA, 22205, USA, ISSN

208 [30] SCHAUER, František - OŽVOLDOVÁ, Miroslava - LUSTIG, František Internet Natural Science Remote e-laboratory (INRe-L) for Remote Experiments. Chapter 5. pp 51-68, Innovations 2011: World Innovations in Engineering Education and Research, ineer 3) vyd.. 1. Arlington, VA, 22205, USA. 2011, in English, 448 pages. ISSN , UK ISBN [31] SCHAUER, František - LUSTIG, František - OŽVOLDOVÁ, Miroslava (2009). ISES - Internet School Experimental System for Computer-Based Laboratories in Physics, INNOVATIONS 2009, World Innovations in Engineering Education and Research, ineer Special Volume 2009, chapter 10, pages , ISBN , 1. vyd. Arlington, VA, 22205, USA, ISSN [32] SENESE, Frederick A. BENDER, Christopher - KILE, Jennifer The Internet Chemistry Set: Webbased Remote Laboratories for Distance Education in Chemistry Interactive Multimedia Electronic Journal of Komputer enhanced Learning, [citované 8. apríl 2012], Dostupné na: < > [33] TOMPKINS, A. P., & PINGEN, G Real-Time Experimentation Across the Internet. The Physics Teacher, 40, 408. [34] ZUBIA,Javier García - ALVES, Gustavo R Using Remote Labs in Education, Two Little Ducks in Remote Experimentation. 1.vyd. University of Deusto, Bilbao, Spain. 464 pp. ISBN [35] ŽÁKOVÁ, Katarína - KOHÚT, Michal Matlab Based Remote Control of Thermo-Optical Plant.mInternational Journal of Online Engineering (ijoe). Vol. 5, Special Issue, pp [36] ŽÁKOVÁ, Katarína K WEB-Based Control Education in Matlab. In: Web-Based Control and Robotics Education. (pp ). 1.vyd. Dordrechtm, Springer [37] ŽOVÍNOVÁ, Michaela Ako využiť reálny vzdialený experiment na bilingválnom gymnáziu. In Acta Facultatis PaedagogicaeUniversitatis Tyrnaviensis [online]. 2010, roč. 14. [citované 2. apríl 2012], ISBN , Dostupné na: < > [38] ŽOVÍNOVÁ, Michaela OŽVOLDOVÁ, Miroslava Využitie vzdálených e-experimentov na určovanie tiažového zrýchleni. Acta Fac. Paed. Univ. Tyrnaviensis, Trnava 2010, Séria C, Matematika, fyzika, informatika, ročník 14, s , ISBN Dostupné na: < M. > [39] ŽOVÍNOVÁ, Michaela Možnosti využitia vzdialeného prírodovedného experimentu vo vzdelávaní v základnej škole. Juvenilia Paedagogica Trnava: Trnavská univerzita v Trnave, Pedagogická fakulta, s [citované 2. apríl 2012], ISBN [40] ŽOVÍNOVÁ, Michaela O ŽVOLDOVÁ, Miroslava Remote experimentation at primary school. In HSCI 2011: Proceedings of the 8th International Conference on Hands-on Science Focus on Multimedia, September 15 to 17, 2011, University of Ljubljana, Slovenia. Ljubljana, 2011, pp ISBN Adresa autora Doc. RNDr. Miroslava Ožvoldová, CSc. Trnavská univerzita v Trnave, Pedagogická fakulta, Katedra fyziky Priemyselná 4, Trnava & Univerzita Tomáše Bati v Zlíne, Fakulta aplikovanej informatiky, Ústav matematiky, Nad Stráněmi Zlín Česká republika mozvoldo@truni.sk

209 MĚŘ, POČÍTEJ A MĚŘ ZNOVU Václav Piskač Gymnázium tř.kpt.jaroše, Brno Abstrakt: Příspěvek ukazuje možnost, jak ve vyučovací hodině propojit fyzikální experiment a početní úlohu způsobem, který výrazně zvyšuje pozornost žáků. Základem je experiment a z něj naměřené hodnoty veličin. Následuje úloha postavená na naměřených hodnotách. Vypočítané výsledky se ověří dalším experimentem. Klíčová slova: experiment, úloha, ověření 1. Úvod Při výuce fyziky je nutno experimentovat i počítat úlohy. Mnoho let s úspěchem používám v hodinách úlohy založené na změřených nebo odhadnutých veličinách. Poslední dobou se snažím tuto metodu doplňovat tak, aby výsledky výpočtů bylo možno zkontrolovat dalším měřením. Tento článek obsahuje několik námětů, které lze snadno zapojit do výuky. 2. Spojování rezistorů Po teoretickém odvození výsledného odporu seriového zapojení nastává okamžik ověření digitálním ohmetrem změříme odpor dvou rezistorů (pokud možno s rozdílnými odpory) a spočítáme jejich výsledný odpor. Zapojíme rezistory seriově a změříme celkový odpor výsledek vychází s přesností pod 1 %. Podobně postupujeme i při paralelním zapojení. Zde je efekt metody umocněn tím, že z výpočtu vyjde zdánlivě nesmyslně malý odpor (např. pro paralelní zapojení 1000 W a 470 W je výsledný odpor 320 W). Kontrola měřením přesvědčí všechny, že vzoreček" skutečně funguje. Měření lze rozšířit z demonstračního na frontální - skupiny žáků měří vlastní dvojice rezistorů všechny skupiny ověřují, jestli vztah platí. Ze žákovského vybavení stačí málo digitální ohmmetr a spojovací vodiče + hrst rezistorů různých odporů. Obr. 1 Seriové propojení rezistorů

210 Obr. 2 Paralelní zapojení rezistorů 3. Rozklad síly do dvojice rovnoběžných sil Pro ověření vztahu pro rozklad síly do dvou rovnoběžných složek lze použít dvojici digitálních kuchyňských vah s podložkami, metrové dřevěné pravítko a malý svěrák. Svěrák uchytíme na pravítko, na váhy položíme podložky a váhy vytáruji (tj. vynulujeme ukazatel). Pravítko položíme na váhy a odečteme hodnoty, které ukazují displeje. Z naměřených "hmotností" spočítáme polohu těžiště soustavy pravítko - svěrák. Ověření spočítané hodnoty je dramatické podepřeme pravítko ve spočítené poloze prstem. Pokud byl výpočet správný, zůstane ve stabilní poloze. Obr. 3: Rozbor situace Obr. 4: Vstupní experiment

211 Obr. 5: Ověření 4. Hydraulický lis Lis je tvořen dvojicí injekčních stříkaček propojených hadičkou. Hadičky jsou na tryskách stříkaček zajištěny pomocí tenkých drátků. Celek je naplněn vodou. Změříme průměry pístů obou stříkaček a odhadneme sílu, kterou dokáže palec stlačovat píst malé stříkačky. Výslednou hodnotu (která u mých dvou stříkaček vychází přes 120 N) ověříme pomocí odpovídající zátěže můj "hydraulický lis" bez problémů nadzdvihne 10kg závaží. Obr. 6: Schema pokusu 5. Vztlaková síla V kabinetě mám schovaný kbelík se stupnicí a kámen, který se do tohoto kbelíku vejde. Nejprve změříme objem kamene. Poté spočítáme, jak velká vztlaková síla působí na kámen ve vodě. Kámen zavěsíme na pružinové váhy a změříme změnu jeho tíhy při ponoření do vody odpovídá spočítané vztlakové síle

212 Obr. 7: Tíha ve vzduchu" Obr. 8: Tíha ve vodě"

213 6. Ohnisko spojné čočky Použijeme vysokosvítivou LED jako zdroj světla a vytvoříme na stínítko její obraz pomocí spojné čočky. Ze zobrazovací rovnice určíme polohu ohniska spojné čočky. Výsledek ověříme pomocí zobrazení vzdáleného předmětu např. krajiny za oknem učebny. Tento předmět se zobrazuje prakticky do ohniska spojné čočky. Další variantou je vytvořit obraz Slunce ten vzniká přímo v ohnisku. Obr. 9: Schema pokusu 7. Kondenzátory Současné měřáky kapacity ( používám MT-2510 ) umožňují měřit kapacitu až do desetin nanofaradu. Podobně jako u rezistorů lze změřit kapacitu dvou kondenzátorů, spočítat kapacitu seriového a paralelního zapojení a ověřit je měřením. 8. Závěr Výše popsané postupy shrnují dva důležíté fyzikální postupy teoretické výpočty a experimentální ověření výsledků výpočtů. Na svých třídách mám ověřeno, že efekt - "Ono to funguje!" je extrémně účinný a zapojuje i méně pozorné žáky do výuky. Metoda "Měř, počítej a měř znovu" má jediné úskalí učitel si musí připravit měření, která pěkně vycházejí. V případě odchylek překračujících několik desítek procent předpokládaného výsledku metoda ztrácí na půvabu. Adresa autora Mgr. Václav Piskač Gymnázium tř.kpt.jaroše Brno Česká republika vaclav.piskac@seznam.cz

214 MĚŘENÍ ČASU TROCHU JINAK Lenka Prusíková Oddělení fyziky, Katedra matematiky, fyziky a technické výchovy, Plzeň Anotace: V současné době se při výuce stále častěji využívá projektová výuka. Proto i já jsem tuto metodu zařadila do výuky fyziky. Ráda bych předvedla jeden z projektů, které jsem uskutečnila na základní škole. Jednalo se o výrobu různých typů hodin, které souvisejí s kapitolou Měření času. Projektová výuka Projektová výuka se ve výuce začala objevovat již v počátku 20. století. Tehdy byl největším průkopníkem tzv. Pragmatické pedagogiky John Dewey. V jeho výuce se dosti odrážení prvky z praktického života, vše je založené na zkušenosti. J. Dewey řekl: gram zkušenosti lepší než tuna teorie proto, že teorie má životný a ověřitelný význam jedině ve zkušenosti. Myšlení začíná tam, kde vznikají nějaké nesnáze. [1] Projektová výuka na několik desítek let utichla a k jejímu většímu návratu došlo přibližně před 10 lety. Do výuky se začaly vracet více praktické metody, opět se vychází ze zkušenosti a z praktického využití. Při projektové výuce žáci sami realizují projekt od plánování až po konkrétní výstup. Samotný průběh řešení projektu se člení na 4 fáze: I. Plánování projektu Při plánování jakéhokoliv projektu by měly být předem stanoveny následující prvky: Stanovení základní problematiky Motivace žáků Základní výstupy projektu Předpokládané cíle (kognitivní, afektivní, psychomotorické) Organizace časové rozvržení Výukové metody Pomůcky Způsob hodnocení Mezioborové vazby Několik dní před zahájením projektu jsem žáky seznámila s průběhem projektu. Žáci dostali zadáno, které věci si mají donést z domova. II. Realizace projektu Tento projekt byl realizován ve dvou třídách 6. ročníku. Obě třídy jsem si na základě losu rozdělila do 4 skupin. Každá skupina vyráběla jiný druh hodin, který si opět vylosovali. Podle typu hodin jsem jednotlivých skupinám poskytla návody, jak přesně budou postupovat při výrobě hodin, jaký materiál budou k výrobě potřebovat a u některých hodin následovali další zajímavé úkoly. Typy hodin, které byly vyráběny (Výstupy projektu): 1. Sluneční hodiny (horizontální, vertikální, domečkové) V návodech na výrobu slunečních hodin byly uvedeny celkem 3 typy. Práce žáků vyžadovala vzájemnou spolupráci, učili se seberealizaci a zodpovědnosti. Materiál, který potřebovali k výrobě, byl: čtvrtky A4, lepidlo, tavná pistole, úhloměr, tužka, pastelky, špejle, pravítko. Výroba trvala 2 vyučovací hodiny. Výsledkem jejich práce byly troje krásné funkční sluneční hodiny

215 Obr.1 Sluneční hodiny 2. Vodní hodiny (kelímkové, plastové) Tento typ hodin byl lehký na výrobu, ale o to více úkolů měli žáci vypracovat. Kelímkové vodní hodiny se vyráběly, jak už název napovídá, z malých plastových kelímků dále tvrdé desky, napínáčků, fixy. Žáci měli za úkol vyrobit tyto hodiny a zvýraznit na posledním kelímku výšku hladiny vody nakapané za jednu minutu. K úkolu měli předpřipravenou tabulku, do které si vyplňovali odměřené centimetry. Druhé plastové hodiny byly na výrobu ještě jednodušší. Potřebovali plastovou láhev, fixy, špendlík a větší plastovou misku. 3. Svíčkové hodiny Tyto hodiny žáky velice zaujaly. Vyráběly se z voskové plástve, knotu a zapotřebí byla také podložka, kterou tvořilo víčko od zavařovací sklenice. Nejprve si žáci připravili plástev a knot (knot umístí na okraj plástve). Po té postupným nahříváním a rolováním plástve vyrobili svíčku. Vzniklá svíčka se zapálila a do připravené tabulky se zapisovaly výšky svíčky po půl hodinách. Z těchto údajů se mohla vypočítat rychlost hoření svíčky. Dalším úkolem bylo určit, do jaké vzdálenosti by km žáci došli, než svíčka vyhoří. Průměrná rychlost chůze člověka je 5. h Obr.2 Svíčkové hodiny 4. Přesýpací hodiny Poslední typ hodin žáky velice bavil. Z dvou PET láhví, děrovačky, 2 víček od zavařovacích sklenic, tavné pistole a hrubé mouky si vytvořili krásné funkční přesýpací hodiny. Nejprve odřízli spodní

216 třetinu PET láhví. Víčka od zavařovacích sklenic přitavily do vytvořených otvorů. V dalším kroku proděravěli víčka od PET láhví děrovačkou přesně uprostřed a přitavili je k sobě (pozor, ať se nezataví proděravěné díry). Do jedné z upravených láhví žáci nasypali hrubou mouku a následně zašroubovali víčka na láhve. Nakonec žáci měli za úkol změřit 10-krát dobu jednoho přesypu. Údaje si zapsali do tabulky a vypočítali průměrnou dobu jednoho přesypu. Obr 3 Přesýpací hodiny III. Prezentace výstupu projektu Žáci prezentovali své výrobky ostatním spolužákům. Popisovali pracovní postup výroby hodin, sdělili jaký materiál použili a k jakým výsledkům v úkolech dospěli. IV. Hodnocení projektu Závěrečné hodnocení provedli nejen žáci, kteří hodnotili vzájemnou spolupráci, ale i já osobně. Hodnotila jsem práci ve skupinách, vzájemnou pomoc, toleranci, ochotu pracovat, rozvržení práce, dokázat přijmout rady od ostatních. Všechny tyto prvky byly ve skupinách splněny. Žáci velice dobře spolupracovali a vhodným rozvržením organizace práce dosáhli požadovaných výsledků. Neshledala jsem zde žádné neshody či problémy při domluvě na samotné výrobě. Někteří žáci byli i velice tvořiví a zkoušeli navrhovat vlastní obměny hodin. Samozřejmě že každý takový projekt má i jistá negativa. Zde jako velké negativum byla určitě časová náročnost vynaložená na přípravu projektu. Dalším problém, který se během realizace vyskytl, bylo časté neporozumění textu žáci měli problém pochopit přiložené návody na výrobu hodin. Literatura: [1] UHER, J. Základy americké výchovy. Praha: Čin, s. 95 Kontaktní adresa PhDr. Lenka Prusíková Oddělení fyziky Katedra matematiky, fyziky a technické výchovy Klatovská 51, Plzeň Telefon: lprusiko@kmt.zcu.cz

217 VÝUKA ASTRONOMIE NA ZŠ A SŠ S VYUŽITÍM STRÁNEK ASTRONOMIA.ZCU.CZ Miroslav Randa, Ota Kéhar Oddělení fyziky Katedry matematiky, fyziky a technické výchovy ZČU v Plzni Abstrakt: V příspěvku se zabýváme, jaké možnosti nám dává použití multimediálního učebního textu při výuce astronomie na základních a středních školách. Představeny jsou některé novinky, které umožňují interaktivní využití katalogů astronomických objektu z atraktivněji výuky a zapojení žáků do vzdělávacího procesu. Klíčová slova: astronomie, hvězdy, výuka, planetky, škola Úvod Přínos webových stránek Astronomia lze vidět v několika ohledech. Bezprostředně multimediální učební text slouží jako velmi vítaný doplněk výuky předmětů astronomie a astrofyziky, a to pro vysokoškolské studenty učitelství pro střední školy, pro základní školy (včetně studentů prvního stupně) i pro podporu výuky všech astronomických předmětů v rámci bakalářského studia astronomie. Mnohem významnější (i když z dlouhodobějšího hlediska) je rozvíjení zájmu o astronomii a další přírodovědné předměty pro budoucí studenty fakult a vysokých škol v rámci celé České republiky. Nikoli nepodstatný přínos je i ve využití webových stránek jako doplňku výuky astronomických poznatků ve fyzice i v geografii na středních i základních školách, kdy webové stránky umožňují seznámení žáků s nejnovějšími poznatky zajímavou formou. Stránky jsou hojně využívány i při přípravě studentů na astronomickou olympiádu. Forma webových stránek však umožňuje využití i studenty nepřírodovědných oborů, učiteli a studenty středních, případně i základních škol, ale i dalšími zájemci z řad veřejnosti. Situace ohledně vysokoškolských učebních textů z astronomie není radostná. Poslední učebnice vyšla v roce 1980, novější skripta byla vydána pouze na MFF UK v Praze a na MU v Brně, a to také již před dlouhou dobou. Lepší je situace ohledně elektronických skript, která jsou dostupná na webových stránkách Masarykovy univerzity v Brně, případně Astronomického ústavu UK v Praze. Jejich zaměření je trochu odlišné a jednotlivé poznatky nejsou navzájem propojeny. Nevýhodou knižních publikací z astronomie je jejich rychlé zastarávání, rovněž barevné obrázky podstatně knižní verzi učebnic prodražují. Navíc jsou tyto publikace stejně jako elektronické učební texty dostupné ve formátu PDF omezené co do využití multimediálních možností (videoukázky, zvukové snímky, animace apod.). Problémem webových stránek je jejich postupné zastarávání, a to zejména v tak dynamicky se rozvíjející oblasti, jakou je astronomie. I když jsou stránky neustále doplňovány a částečně aktualizovány, záplava nových informací získaných pomocí pozemních i kosmických teleskopů, družic a zejména kosmických sond vyžaduje neustálou aktualizaci stránek. Astronomia Webové stránky Astronomia jsou multimediální učební text, který je v provozu již od roku 2000 za postupného přispění několika grantů v rámci Fondu rozvoje vysokých škol. Astronomia nejdříve vznikla v podobě statických stránek část věnující se sluneční soustavě. O dva roky později k nim přibyly galaxie včetně mlhovin a hvězdokup. V roce 2005 jsme vytvořili první verzi redakčního systému použitou na třetí projekt hvězdy. V roce 2009 jsme redakční systém vylepšili do podoby odpovídající současným trendům a přibyl zatím poslední projekt astronomická fotografie. Od roku 2005 jsou nedílnou součástí (a dalo by se říci, že neviditelným pátým projektem) katalogy astronomických objektů. V katalozích je ukryto téměř 600 tisíc objektů v celkovém objemu 172 MB

218 dat. Samotné katalogy jde rozdělit do tří kategorií tzv. deep-sky objekty (mlhoviny, hvězdokupy, galaxie) se nacházejí hned ve třech katalozích NGC katalog, Messierův katalog a IC katalog. Druhou oblastí jsou hvězdy, zde máme seznam souhvězdí (známe jich 88), katalog Gliese (obsahuje nejbližších hvězd), katalog Hipparcos ( hvězd) a část francouzské astronomické databáze SIMBAD ( hvězd). Do poslední kategorie katalogů planety jsou zahrnuty planetky (v době psaní článku obsahuje seznam přes 337 tisíc planetek) a katalog exoplanet, tedy planet nacházejících se u jiných hvězd. Aby nedocházelo k zastarávání údajů, jsou některé katalogy pravidelně (denně, týdně či měsíčně) aktualizovány z důvěryhodných zdrojů se souhlasem jejich autorů, např. exoplanety z exoplanet.eu, databáze SIMBAD přímo z francouzského zdroje a planetky z Minor Planet Center. Jistě by byla škoda, aby tato data ležela na stránkách nebo v databázích jen tak bez užitku a povšimnutí. Pojďme se v rychlosti podívat, jaké možnosti nám současná výpočetní technika z pohledu uživatele nabízí. Detailní popis, který ale naleznete u každé představené aplikace v podobě podrobné nápovědy, by byl nad rámec tohoto článku. Veškeré aplikace byly tvořeny s důrazem na snadné používání, interaktivní ovládání využívající moderní a perspektivní technologie. HR diagram přímo generovaný z katalogu hvězd Hertzsprungův-Russellův (HR) diagram je generován z katalogů hvězd HIPPARCOS nebo SIMBAD. Pro lepší orientaci v diagramu je určeno zobrazení popisků jednotlivých oblastí (hlavní posloupnost, bílí trpaslíci a další). Počet hvězd použitých pro vytvoření diagramu lze omezit jejich vzdáleností. Je zajímavé porovnat diagramy blízkých a vzdálených hvězd. Vyzkoušejte si pro blízké hvězdy zadat omezení do 100 pc (326 světelných let) a u vzdálených hvězd interval od 100 pc do 400 pc. Proč se diagramy liší? Vysvětlení nalezneme ve výběrovém efektu, u diagramu vzdálených hvězd totiž chybí oblast slabých hvězd. Ve větších vzdálenostech nejsme schopni detekovat slabé hvězdy, naopak objevíme větší množství hvězdných obrů a velmi jasných hvězd. U hvězdné velikosti platí, že čím jasnější objekt, tím menší hodnota, všimněte si opačného měřítka u svislé osy. Absolutní hvězdná velikost je veličina určující hvězdnou velikost (jasnost hvězdy na obloze) vztaženou na standardní pozorovací podmínky (hvězda ve vzdálenosti 10 pc). Barevný index je rozdíl hvězdných velikostí ve vybraných spektrálních intervalech. Obr. 1: HR diagram (vlevo bez omezení, vpravo jen hvězdy do 100 pc a popisky)

219 Analýza parametrů planetek Seznam očíslovaných planetek umožňuje interaktivní analýzu několika parametrů. Vybraným posuvníkem omezíme množinu planetek. Při zvolení typu planetky ze seznamu se posuvníky u jednotlivých parametrů nastaví podle vybraného typu. Tím jsme schopni zjistit spoustu informací o dané skupině planetek: označení a rok objevu první planetky této skupiny, interval velké poloosy, výstřednost dráhy nebo sklon drah k ekliptice. Pomocí absolutní hvězdné velikosti odhadneme rozměry planetek. Získaný seznam planetek můžeme uložit do textového souboru a dále zpracovávat. Více na Obr. 2: Ukázka analýzy parametrů planetek pro zvolený typ Aktuální polohy planetek ve sluneční soustavě U analýzy parametrů planetek (viz výše) lze u některých speciálních případů zvolit kromě textového i grafický výstup (ve formátu PNG). Na obr. 3 je ukázka aktuální polohy vybraných skupin planetek v rovině ekliptiky. Zajímavé zobrazení představují planetky skupin Trojané a Hilda. Jedná se o planetky, jejichž trajektorie je ovlivněna gravitačními účinky planety Jupiter. Jsou to dva případy, kdy dráhová rezonance vede k vytvoření stabilní skupiny planetek. Dlouhodobé rozdělení planetek skupiny Hilda v prostoru tvoří přibližně tvar rovnostranného trojúhelníku. Vrcholy trojúhelníka leží na trajektorii Jupiteru v libračních centrech L3, L4 a L5. V libračních centrech L4 a L5 se nacházejí Trojané

220 Obr. 3: Aktuální polohy planetek ve sluneční soustavě pro Trojány a skupinu Hilda Kirkwoodovy mezery Speciálním grafickým (ale i textovým) výstupem analýzy parametrů planetek jsou Kirkwoodovy mezery, což jsou mezery nebo poklesy v rozdělení (četnosti) hlavního pásu planetek na velké poloose (nebo oběžné době). Poprvé si tohoto uspořádání planetek všiml americký astronom Daniel Kirkwood již v roce 1857, kdy bylo známo okolo 50 planetek. První oficiální zveřejnění objevu bylo až v roce 1866 (na setkání Americké společnosti pro pokrok vědy); na konci tohoto roku bylo známo 91 planetek. Nerovnoměrnosti v rozdělení oběžných drah planetek zaregistroval i brněnský rodák Karel Hornstein. Sami si můžete pomocí této aplikace vyzkoušet, jak vypadalo rozdělení planetek v době, kdy Daniel Kirkwood objevil vliv Jupiteru na rozložení planetek ve sluneční soustavě. Stačí omezit rok objevu na 1801 až 1857 (potažmo 1866). Pro zobrazení Kirkwoodových mezer je vhodné nastavit interval velké poloosy na hodnoty 2,0 až 3,5 AU. Tím se zobrazí rozložení četnosti planetek hlavního pásu. Pokud zobrazíme interval od 1,4 do 5,4 AU, lze si všimnout několika zajímavých lokálních maxim: okolo 1,93 AU se nachází skupina Hungaria, okolo 3,9 AU vytváří zajímavý obrazec v prostoru skupina Hilda (viz graf Aktuální polohy), která souvisí s rezonancí 2:3 s Jupiterem. A konečně okolo 5,2 AU najdeme samotnou planetu Jupiter a v libračních centrech L4 a L5 se nacházejí Trojané. Obr. 4: Kirkwoodovy mezery

221 Poloha planetky a ověření Keplerových zákonů Na obr. 5 je v základním nastavení znázorněna aktuální poloha vybrané planetky ve sluneční soustavě v rovině ekliptiky. V této ukázce se jedná o blízkozemní planetku (433) Eros, lze ale vybrat libovolnou očíslovanou planetku. Měřítko je zvoleno automaticky podle vzdálenosti planetky v odsluní tak, aby se celá trajektorie planetky vykreslila a optimálně vyplnila plochu obrázku. Je vykreslena i poloha (včetně trajektorií) planet sluneční soustavy. Polohu těles ve sluneční soustavě lze vykreslit i pro jiné datum. U přísluní a odsluní se zobrazuje vzdálenost planetky od Slunce, její rychlost, odhad efektivní teploty rovnovážného záření planetky a zdánlivé hvězdné velikosti. Aplikace nám umožňuje demonstrovat a ověřovat platnost všech tří Keplerových zákonů. Postupně si ve stručnosti představíme, jak na obrázku upozornit na zajímavé vlastnosti jednotlivých Keplerových zákonů. Podrobnější popis je uveden v nápovědě, která je dostupná po kliknutí na znak otazníku nacházející se v pravém dolním rohu obrázku s trajektoriemi ve sluneční soustavě. Aplikace funguje v běžně používaných prohlížečích (Mozilla Firefox, Internet Explorer, Google Chrome) se zapnutým Javascriptem (slouží pro interakci s uživatelem) a povolenými Cookie (slouží pro přenos dat obsahující souřadnice o bodech na trajektorii planetky) mezi serverem a prohlížečem. Obr. 5: Aktuální poloha planetky ve sluneční soustavě a ověření Keplerových zákonů Pro první Keplerův zákon jsou důležité trajektorie planetky, poloha Slunce ve společném ohnisku, případně vyznačení středu elipsy. Vyznačena je poloha přísluní a odsluní. Druhý Keplerův zákon se někdy označuje jako zákon ploch. Průvodič za stejnou dobu opíše plochu se stejným obsahem. Trajektorie je rozdělena na zvolený počet stejně dlouhých časových úseků. Kliknutím se vybere příslušný bod. Zobrazí se úsečka spojující ohnisko a vybraný bod společně s informací o délce úsečky v prostoru v AU. Výběrem dalšího bodu se dokreslí trojúhelník a vypočítá jeho plocha. Na obr. 5 vlevo je znázorněna situace v přísluní, vpravo v odsluní. Porovnáním zjistíme, že vypočítaná plocha je stejná. Výpočet plochy nezohledňuje zakřivení trajektorie planetky, pokud je časový interval příliš velký, může dojít k nepřesnostem. Pro třetí Keplerův zákon zjistíme hodnotu velké poloosy jako polovinu součtu vzdáleností planetky v přísluní a odsluní. Pak můžeme vypočítat oběžnou dobu planetky a porovnat ji z údaji, které jsou uvedeny v levém rohu na obrázku. Více na -

222 Noční obloha Na levém obr. 6 je bílou nepřerušovanou čárou zobrazen průběh (azimut a výška) Slunce na zvoleném místě od západu Slunce v daný den po východ Slunce následujícího dne. Vypočítány jsou další časové údaje západ, východ Slunce, okamžiky jednotlivých soumraků. Pro konkrétní okamžik daný červeným kolečkem na průběhu výšky Slunce pod obzorem lze najít seznam nejjasnějších hvězd, viditelnost souhvězdí nad obzorem či informace o viditelnosti Messierových a NGC objektů. Obr. 6: Noční obloha a seznam Messierových objektů nad obzorem Na obr. 6 vpravo je seznam Messierových objektů viditelných nad obzorem. Jsou rozděleny do skupin podle typu objektu. Kliknutím na název dojde k načtení obrázků daného objektu s doplňujícími informacemi (aktuální výška nad obzorem a azimut). Věděli jste například, že souhvězdí Velké Medvědice nepatří v našich zeměpisných šířkách mezi cirkumpolární souhvězdí? Nezapadá totiž jen 88 % tohoto souhvězdí. Více na Literatura Multimediální učební text Astronomia [online]. c2012, [citováno ]. Dostupné z Adresy autorů RNDr. Miroslav Randa, Ph.D. Oddělení fyziky, KMT FPE ZČU v Plzni, Klatovská 51, Plzeň, Česká republika randam@kmt.zcu.cz PhDr. Ing. Ota Kéhar Oddělení fyziky, KMT FPE ZČU v Plzni, Klatovská 51, Plzeň, Česká republika kehar@kmt.zcu.cz

223 MONITORING JASU NOČNEJ OBLOHY Pavol Rapavý 1,2,3, Peter Begeni 2,3 1 Hvezdáreň v Rimavskej Sobote 2 Slovenský zväz astronómov amatérov 3 Slovenská astronomická spoločnosť pri SAV Abstrakt: Svetelné znečistenie je vážnym problémom modernej civilizácie. Jeho monitorovanie a prognózovanie je dôležité nielen pre astronómov, ale aj pre iné odbory (biológia, ekológia, medicína, ekonomika a pod.). V príspevku sú popísané spôsoby určovania jasu nočnej oblohy so zameraním aj na tie najjednoduchšie, ktoré nevyžadujú prístrojové vybavenie. Kľúčové slová: svetelné znečistenie, jas nočnej oblohy, Sky Quality Meter Úvod Svetelné znečistenie (Rapavý, 2009 a, b) je súhrn nepriaznivých vplyvov umelého osvetlenia na životné prostredie, biosféru, zdravie, ekonomiku, astronómiu a pod. Meranie jasu nočnej oblohy od polovice minulého storočia poukazuje na jeho každoročný nárast, ktorý má exponenciálny charakter. Monitorovanie súčasného stavu a predpovede sú potrebné pre viaceré vedné odbory, predovšetkým pre vplyv na nočné ekosystémy. Jas nočnej oblohy sa udáva v jednotkách mag/arcsec 2 (MAS). Jas nočnej oblohy a mapy svetelného znečistenia Prvý globálny obrázok Zeme z vesmíru (Earth at night obr. 1) urobil Sullivan (1989), ktorý ho získal spracovaním fotografií z družice Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) z rokov v pásme vlnových dĺžok nm. Rozlíšenie originálu je 10 km. Obr. 1: Zem v noci, snímka spracovaná z dát družice DMSP Satelitné údaje však priamo neposkytujú žiadne informácie o svetelnom znečistení. Tieto snímky priamo poskytujú informáciu iba o množstve svetla vyžiareného do vesmíru a nie o množstve svetla rozptýleného v atmosfére, čím je jas nočnej oblohy spôsobený. Satelitné údaje nezohľadňujú vplyv atmosféry, rozptyl, nadmorskú výšku, terénny profil a pod. Prvý projekt mapovania jasu oblohy v Európe spracoval v roku 1999 Cinzano et al. (2000). Projekt mapoval jas

224 oblohy v Európe s rozlíšením lepším ako 3 km a porovnával aktuálne hodnoty (rok 1998) s dostupnými údajmi z roku 1971 a vypracoval predpoveď pre rok Prvý (a zatiaľ jediný) svetový atlas svetelného znečistenia (obr. 2) publikoval Cinzano, Falchi & Elvidge (2001). Je výsledkom spracovania satelitných dát DMPS a zložitého modelovania šírenia svetla v atmosfére, predstavuje umelý jas oblohy v zenite prepočítaný na hladinu mora. Metodiku spracovania satelitných údajov s vysokým rozlíšením popísali Cinzano & Elvidge (2004). Obr. 2: Mapa svetelného znečistenia (Európa), stav v roku 1998 a prognóza pre rok 2025 Exponenciálny nárast svetelného znečistenia bol prvýkrát exaktne zdokumentovaný z dlhodobých meraní ( ) v severozápadnom Taliansku na Asiago Astronomical Observatory a Ekar Astronomical Observatory (Cinzano, 2000). Podrobné údaje umožnili stanoviť aj koreláciu jasu nočnej oblohy so slnečnou činnosťou (obr. 3). Obr. 3: Nárast svetelného znečistenia jas nočnej oblohy vo vizuálnej oblasti spektra. Bodkovaná krivka koreluje s cyklom slnečnej aktivity (Cinzano, 2000). Počas maxima slnečného cyklu je jas nočnej oblohy zvýšený o hodnotu asi 0,5 mag/arcsec 2 v dôsledku vlastného svetelného žiarenia atmosféry (airglow, nightglow). Tento jav objavil ešte v roku 1868 A. Ångström a od roku 2009 toto žiarenie študuje aj švajčiarska družica SwissCube-1. Jedným z mechanizmov tohto žiarenia je rekombinácia iónov kyslíka a dusíka, ktoré boli počas dňa ionizované ultrafialovým žiarením, luminiscencia spôsobená kozmickým žiarením ako aj vznik oxidu dusnatého s následnou emisiou fotónu

225 Metódy meranie jasu nočnej oblohy 1. Sky Quality Meter Sky Quality Meter (SQM) je finančne nenáročný vreckový jasomer na meranie jasu nočnej oblohy, ktorý udáva hodnotu jasu priamo v jednotkách mag/arcsec 2 (MAS). Výrobca Unihedron (Grimsby, Ontario, Canada, ponúka niekoľko typov. Pre ručné merania sú k dispozícii SQM a SQM-L (obr. 4). Zorné pole (Full Width Half Maximum FWHM) SQM je ~84º, SQM-L ~20º. O oblastiach s malými gradientami jasu je vhodný typ SQM, kde jedno merania umožní určiť hodnotu jasu nočnej oblohy. Metodiku merania popísal Kohout (2008), ktorý je aj autorom českého Projektu mapování jasu noční oblohy. Fotometriu pomocou SQM a porovnanie SQM s laboratórnym fotometrom popísal Cinzano (2005). Pre permanentné systematické merania sú k dispozícii merače prepojiteľné s externými zariadeniam (SQM-LU, SQM-LU-DL, SQM-LE, SQM-LR). Obr. 4: Sky Quality Meter (FWHM ~84º) Na Slovensku je od roku 2010 v Parku tmavej oblohy Poloniny, na Astronomickom observatóriu na Kolonickom sedle, v činnosti plne automatizovaný merač jasu oblohy (Ďuriš, 2011) a od roku 2012 aj na Astronomickom ústave SAV na Skalnatom Plese. (obr. 5). Obr. 5: Automatizovaný merač na AO Kolonické sedlo a ukážka záznamu. 2. Digitálne fotoaparáty/ccd Na fotometriu je možné využiť bežné fotoaparáty, ktoré sú schopné ukladať dáta vo formáte RAW. Metodiku spracovania rozpracoval Hollan (2006 a, b), a tak použitím softvéru je možné mať z fotoaparátu vedecký prístroj pre viacfarebnú fotometriu. Touto metódou sa monitoruje jas nočnej oblohy v chránených oblastiach Českej republiky v rámci grantu O2 Thing big Kohout (2012). V Maďarsku meria Kolláth (2010) pomocou digitálnych kamier a s použitím vlastného softvéru jas oblohy v Hortobágy Starry Sky Park a Zselic Landscape Protection Area. Obdobné merania sú plánované aj Parku tmavej oblohy Poloniny

226 Obr. 6: Porovnanie RAW a spracovanej snímky (Kohout, 2012) 3. Vizuálne pozorovanie Určovanie mhv Jas oblohy je možné nepriamo určiť aj hodnotou limitnej magnitúdy (medznej hviezdnej veľkosti - mhv). Jedná sa o určenie hviezdnej veľkosti najslabšej, voľným okom viditeľnej hviezdy pomocou mapy hviezdnej oblohy. Tento spôsob je využívaný hlavne pozorovateľmi meteorov. Údaje jednotlivých pozorovateľov sa však často líšia, sú závislé od skúseností, zrakovej ostrosti, chýb oka a pod. Jedná sa teda o subjektívny údaj, ktorý dáva len pomerne hrubú predstavu o pozorovacích podmienkach. International Meteor Organization (IMO) odporúča relatívne jednoduchší spôsob počítania hviezd v niektorej z 30 presne definovaných oblastí oblohy ohraničených jasnými hviezdami. Problémy takéhoto určovania medznej hviezdnej veľkosti analyzovali Gerboš, Rapavý & Znášik (1996). Obr. 7: Určovanie mhv podľa metodiky IMO (súhvezdie Pegas) Bortleho stupnica Bortle (2001) publikoval deväťbodovú stupnicu tmavosti oblohy, ktorá nie je natoľko závislá na pozorovateľovi a poskytuje dobrú predstavu o kvalite nočnej oblohy. Jednotlivé stupne Bortleho škály popisujú viditeľnosť či neviditeľnosť objektov a úkazov na oblohe, vrátane prejavov svetelného znečistenia. Preklad Bortleho stupnice aj s komentárom urobil Bareš (2007). 4. Popularizačno náučné projekty GLOBE at Night GLOBE at Night (GaN) je od roku 2006 celosvetovým projektom s cieľom zvýšiť povedomie verejnosti o vplyve svetelného znečistenia. Je jedným z najúspešnejších projektov svojho druhu,

227 koordinuje ho US National Optical Astronomy Observatory a podporuje niekoľko ďalších významných inštitúcií. Záujemca o pozorovanie počas astronomickej noci v štyroch, každoročne určených, obdobiach porovnáva mapku súhvezdia Orión alebo Lev s reálnou oblohou. Pozorovanie sa odosiela pomocou webovej aplikácie. Do programu je od roku 2011 zapojené aj Slovensko ( How many stars...? Projekt Koľko hviezd ešte vidíme...? vznikol v roku 2009 pri príležitosti Medzinárodného roku astronómie, koordinuje ho IDA-Section Austria (Verein Kuffner-Sternwarte, Wien). Projekt je celoročný, obdobný GaN, referenčnými súhvezdiami sú Malý voz, Orión a Kasiopeja. Pomocou webovej aplikácie možno posielať aj údaje namerané pomocou SQM. Do programu je od roku 2011 zapojené aj Slovensko ( Čo je možné vidieť na prírodne tmavej oblohe voľným okom sú viditeľné hviezdy 7,5 8 mag. Mliečna cesta je výrazná, s bohatými štruktúrami pripomínajúcimi mramor, jej najjasnejšie časti dokážu vrhať na zem rozmazaný tieň. pozorovateľné sú mnohé objekty nočnej oblohy, galaxia M33 je dobre viditeľná aj priamym pohľadom. zodiakálne (zvieratníkove) svetlo je výrazné, vrhá tieň. Pozdĺž ekliptiky je pozorovateľný zodiakálny pás a v antisolárnom boje je zjasnený do protisvitu. pozdĺž obzoru vo výške okolo 10º je pozorovateľné zjasnenie airglow Takéto pozorovanie nie je skúškou kvality zraku, ale kvality pozorovacích podmienok. Záver V príspevku sme stručne popísali dostupné metódy určovania jasu nočnej oblohy, ktoré určujú mieru svetelného znečistenia. Jas nočnej oblohy môžeme určiť niekoľkými metódami, niektoré nevyžadujú finančne náročné technické prístroje. Záujemca o meranie jasu oblohy má možnosť použiť metódu, ktorá ho nestojí žiadne financie. Prípadne môže využiť technické prístroje, ktoré už vlastní alebo má k dispozícii (napr. digitálny fotoaparát). Ochrane existujúcich aj potenciálnych pozorovacích miest sa venuje 50. komisia Medzinárodnej astronomickej únie (IAU Commission 50). Slovensko v nej zastupuje J. Žižňovský z Astronomického ústavu SAV. Obsiahlejší zoznam literatúry poslúži vážnejším záujemcom pri štúdiu danej problematiky. Literatúra [1] BAREŠ, M., Bortleho stupnice (Bortle scale) a světelné znečištění. Dostupné na < [2] BORTLE, J. E., Introducing the Bortle Dark-Sky Scale, Sky&Telescope, February 2001, pp , Sky Publishing Corp [3] CINZANO, P., The growth of the light pollution in north-eastern Italy from 1960 to 1995, Measuring and Modelling Light Pollution, ed. P. Cinzano, Mem. Soc. Astro. It., vol.71, (2000) [4] CINZANO, P., Night Sky Photometry with Sky Quality Meter, ISTIL Internal Report n. 9, v , ISTIL, Thiene. Dostupné na: < [5] CINZANO, P. ELVIDGE, C., D., Night sky brightness at sites from DMSP-OLS satellite measurements, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 353, (2004)

228 [6] CINZANO, P. FALCHI, F. ELVIDGE, C. D., BAUGH, K. E., Mapping the artificial sky brightness in Europe from DMSP satellite measurements: the situation of the night sky in Italy in the last quarter of century, Mem. Soc. Astron. Ita., 71(4), p (ISSN ) [7] CINZANO, P. FALCHI, F. ELVIDGE, C., D., The first world atlas of the artificial night sky brightness, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 328, p (ISSN: ) [8] ĎURIŠ, P., 2011, First results of continuous night sky brightness monitoring at Astronomical observatory at Kolonica Saddle, International Conference Kolos 2011, Astronomy and other Natural Sciences in the Life of Society, 2011 December 01 03, poster. Dostupné na: < [9] GERBOŠ, J., RAPAVÝ, P., ZNÁŠIK, M., Problems of limiting magnitude determination in meteor observations. WGN, Vol. 24, No. 1-2, p [10] HOLLAN, J., 2006a. RGB radiometrie digitálními fotoaparáty. In Workshop Nedestruktivní testování v technických oborech, Brno: VUT v Brně., 2006, ISBN , s Dostupné na < [11] HOLLAN, J., 2006b. Digital imaging photometry with non-scientific cameras offering raw data formats. Dostupné online < > [12] KOHOUT, V., Projekt mapování jasu noční oblohy, dostupné online na: < [13] KOHOUT, V., Výzkum a popularizace světelného znečištění II., osobná komunikácia [14] KOLLÁTH, Z., Measuring and modelling light pollution at the Zselic Starry Sky Park. 5th Workshop of Young Researchers in Astronomy & Astrophysics, Journal of Physics: Conference Series 218 (2010) , doi: / /218/1/ Dostupné online:< [15] RAPAVÝ, P., 2009 a. Svetelné znečistenie. Tvorivý učiteľ fyziky II, Národný festival fyziky 2009, Košice: 2009, s , ISBN [16] RAPAVÝ, P., 2009 b. Svetelné znečistenie. Československý časopis pro fyziku, 5, s ISSN [17] SULLIVAN, W. T., A 10 km resolution image of the entire night-time Earth based on cloud-free satellite photographs in the nm band, International Journal of Remote Sensing, Vol. 10, Issue 1, 1989, DOI: / Adresy autorov RNDr. Pavol Rapavý KHaP MH - Hvezdáreň v Rimavskej Sobote Tomášovská Rimavská Sobota astrors@astrors.sk RNDr. Peter Begeni Slovenský zväz astronómov amatérov, Slovenská astronomická spoločnosť pri SAV Tomášovská Rimavská Sobota begi@begi.sk

229 FYZIKÁLNA SHOW AKO MOTIVAČNÝ PRVOK VO VYUČOVANÍ Martin Štubňa, Ľubomíra Valovičová, Ján Ondruška KF FPV Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre Abstrakt: V príspevku predstavíme fyzikálnu show, ktorá sa na Fakulte prírodných vied konala už po piaty krát. Cieľom tejto show je žiakov motivovať k ďalšiemu štúdiu a bádaniu hlavne v oblasti fyziky. Počas show prezentujeme zaujímavé experimenty z rôznych oblastí fyziky. Príspevok tiež obsahuje vyhodnotenie prieskumu, ktorý sme robili medzi žiakmi a učiteľmi, počas show. Kľúčové slová: popularizácia fyziky, fyzikálna show, experimenty Úvod Stále častejšie sa hovorí o nezáujme žiakov o prírodné vedy. Nie je to vždy spôsobené nezáujmom žiakov. Niekedy ide o nedostatočne podnetné vyučovanie. Stále sa stretávame s faktom, že na vyučovacích hodinách sa robí málo, alebo takmer žiadne experimenty. Problém nerieši ani reforma, ktorá mala vytvoriť priestor práve na experimentovanie. Jednou z možností riešenia tohto problému je podpora učiteľov vo využívaní experimentov, či už počas seminárov, alebo vzdelávacích kurzov. Druhou možnosťou je popularizovať fyziku medzi žiakmi a študentmi, ako aj vytvárať popularizačné aktivity pre širokú verejnosť. Popularizovať fyziku je možné viacerými spôsobmi - vytváraním záujmových krúžkov, táborov, a podobne. Jedným zo spôsobov je aj fyzikálna show. Fyzikálna show je popularizačne zameraná aktivita, ktorej sa môže zúčastniť, v porovnaní so záujmovými krúžkami, či tábormi, pomerne veľa študentov. Fyzikálna show Hlavným prostriedkom sprostredkovania fyzikálnych javov bol experiment. Pri voľbe experimentu sme museli brať ohľad na niekoľko atribútov. Experiment, ktorý sme na show prezentovali musel byť pre žiakov zaujímavý. Zaujímavý v zmysle toho, aby žiakov zaujal a to buď po stránke vizuálnej alebo zvukovej. Niekedy stačilo experiment uviesť určitým zaujímavým spôsobom. Napríklad príbehom z histórie (Magdeburské pologule), alebo príbehom vytvoreným pre konkrétny experiment. Ďalším atribútom experimentu bola jeho vhodnosť. Vybrané experimenty museli byť zaujímavé, ale aj pochopiteľné pre danú vekovú kategóriu žiakov. Tiež bolo dôležité vybrať také experimenty, ktoré boli viditeľné pre celé publikum. Zaujímavým prvkom, ktorým sa nám darilo zvýšiť pozornosť publika boli experimenty interaktívne. Experiment vykonával, alebo pri výkone pomáhal niekto z publika. Hlavným cieľom a zámerom fyzikálnej show bolo popularizovať fyziku a motivovať žiakov k štúdiu fyziky. Pomocou prezentovaných experimentov sme chceli žiakov motivovať ku kladeniu si otázok. Aké je vysvetlenie jednotlivých javov? Ako môžem overiť platnosť tohto vysvetlenia? Cieľom bolo viesť ich k bádaniu a rozmýšľaniu nad javmi ktoré videli. Na dosiahnutie tohto cieľa sme využili experimenty hlavne motivačného charakteru, ktoré ukazovali zaujímavé a efektné javy z fyziky. Tiež také, ktoré by sa dali nazvať paradoxmi a aj také ktoré boli pre žiakov záhadné. Tým sme chceli podporiť to, aby premýšľali nad jednotlivými experimentmi. Fyzikálna show sa konala na Fakulte prírodných vied, Univerzity Konštantína Filozofa už po piaty krát. Konala sa týždeň pred Vianočnými prázdninami tri dni po sebe. Každý deň boli tri predstavenia. Na jedno predstavenie prišlo priemerne 100 žiakov. Počas piatich rokov sa fyzikálnej show zúčastnilo približne 4500 návštevníkov. V predošlé roky sa zúčastňovali žiaci len základných škôl, druhého stupňa. Tento rok sme vyskúšali pozvať aj žiakov z prvého stupňa, pre ktorých bol

230 program upravený tak, aby mohli porozumieť experimentom aj sa naučiť niečo nové. Tiež sa nám prihlásilo niekoľko tried zo stredných škôl, ktoré sa chceli show zúčastniť. Pre nich sme program neupravovali, ale show bola pre nich zopakovaním už známych faktov, a tiež zoznámením sa s novými neznámymi javmi. V jeden deň sa robila aj večerná show pre verejnosť. Dôležitou časťou počas fyzikálnej show je vysvetlenie experimentu. Show trvala vždy hodinu a počas tejto hodiny sme žiakom ukázali 25 experimentov. To, ale znižovalo možnosť žiakom javy podrobne vysvetliť. Preto sme jednotlivé experimenty vysvetľovali pomocou prezentácie, vytvorenej v PowerPointe, ktorá obsahovala jednoduchý text a názorný obrázok (Obr.1). Obr. 1: Ukážka z PowerPointovej prezentácie Žiacky dotazník Počas fyzikálnej show sme uskutočnili medzi žiakmi aj učiteľmi prieskum. Náhodne vybraní žiaci dostali dotazník, ktorí mali počas show vyplniť. V dotazníku sme sa pýtali na niekoľko skutočností. Prvá časť dotazníka bola zameraná na osobu vypĺňajúceho. Zisťovali sme, ktorý ročník navštevuje. Akú školu navštevuje, či je z nižšieho stupňa osemročného gymnázia, alebo zo základnej školy. Tiež, či ide o žiaka, alebo žiačku. Potom nasledovala časť v ktorej sme sa pýtali už priamo na fyzikálnu show. Zisťovali sme, koľko krát sa zúčastnili na našej show. Chceli sme zistiť ktoré experimenty sú pre žiakov najatraktívnejšie a najzaujímavejšie. Zisťovali sme, či si podobné experimenty vyhľadávajú na internete, alebo či niečo podobné už videli niekde naživo, poprípade v televízii. Tiež sme chceli zistiť či žiaci experimentujú na hodinách. Poslednou otázkou sme chceli zistiť záujem o takéto podujatie, a to hlavne či by sa takejto formy prezentácie fyziky zúčastnili aj v budúcnosti. Dotazníky nám vyplnilo 146 žiakov z rôznych ročníkov. Z toho bolo 85 žiačok (59%) a 61 žiakov (41%). Nie všetci žiaci odpovedali na všetky otázky v dotazníku, takže na niektoré otázky odpovedalo menej žiakov. Väčšina žiakov, až 74 % sa fyzikálnej show zúčastnilo po prvý krát. Ročníkové zastúpenie žiakov, ktorí vypĺňali dotazníky možno vidieť na obrázku (Obr.2). Obr. 2: Graf znázorňuje zastúpenie žiakov jednotlivých ročníkov, ktorí vyplňovali dotazníky

231 Zisťovali sme aj to, či sa žiaci stretávajú s experimentmi na hodinách a či sami prejavujú záujem o takéto atraktívne experimenty. Na otázku, či experimentujú aj na hodinách zodpovedalo 67% kladne. Avšak 30% žiakov odpovedalo, že skôr neexperimentujú alebo dokonca vôbec neexperimentujú na hodinách (Obr.3). Obr. 3: Graf znázorňuje ako žiaci vnímajú experimentovanie na hodinách Ohľadom záujmu o sledovanie a vyhľadávanie podobných experimentov väčšina žiakov (64%) odpovedala, že podobné experimenty videli v televízii, alebo na internete (Obr.4). Obr. 4: Graf znázorňujúci sledovanie experimentov v masmédiách. Na otázku, ktorý z experimentov bol pre žiakov najviac atraktívny, väčšina žiakov spomenula experiment s prelievaním plynov, zapaľovanie sviečok z výšky niekoľkých centimetrov a raketu na liehový pohon. Tieto experimenty patria k vizuálne najefektnejším, čím sa nám potvrdilo, to že experimenty musia byť pre žiakov hlavne vizuálne zaujímavé. Poslednou otázkou v žiackom dotazníku bolo, či by sa prišli pozrieť na podobné podujatie aj v budúcnosti a prečo. Väčšina žiakov (85%) odpovedalo kladne. Tu sú niektoré žiacke odpovede na otázku, či a prečo by prišli: Prišla by som, fyziku nemám rada, ale experimenty sa mi páčili., Áno, aby som videl ďalšie pokusy., Nie, pretože experimenty boli príliš jednoduché.. Učiteľský dotazník Prieskum medzi učiteľmi sme vykonali tiež pomocou dotazníkov. Dotazník sme rozdali všetkým učiteľom. V dotazníku sme zisťovali, aké očakávania majú učitelia od návštevy takéhoto podujatia. Či majú ich žiaci opakovaný záujem o fyzikálnu show. Zisťovali sme, či očakávajú diskusiu so žiakmi o videných experimentoch, respektíve, či plánujú viesť počas hodiny so žiakmi takúto diskusiu. Tiež nás zaujímalo, či videné experimenty sú pre učiteľov motiváciou a či tieto experimenty následne využijú počas hodín fyziky. Na dotazníky zodpovedalo 48 učiteľov. Tiež sa k niektorým otázkam nevyjadrili, takže nie pri všetkých otázkach je rovnaký počet odpovedí. Na otázku, či je fyzikálna

232 show pre žiakov zaujímavým podujatím, odpovedala väčšina učiteľov kladne (77%). Žiaden z učiteľov neodpovedal, že by neočakával diskusiu o videných experimentoch na hodinách fyziky. 77% učiteľov diskusiu očakávalo, zvyšných 23% sa k otázke nevedelo s určitosťou vyjadriť. S neskorších rozhovorov s učiteľmi sme zistili, že naozaj sa niektorým podarilo viesť so žiakmi diskusiu na túto tému. Zaujímalo nás tiež, ako využijú učitelia videné experimenty v praxi. V grafe (Obr.5) možno vidieť ako učitelia odpovedali na otázku, či využijú experimenty z fyzikálnej show aj v praxi. Obr. 5: Graf znázorňuje ako učitelia plánujú využiť experimenty zo show Zisťovali sme aj aké očakávania majú učitelia od takéhoto podujatia. Tu sú niektoré odpovede: Za krátky čas môžu žiaci vidieť mnoho jednoduchých zaujímavých pokusov., Niečo nové sa dozviem., Nové možnosti prezentácie fyziky a pokusov., Naučiť sa nové experimenty., Zaujímavým spôsobom upútať žiakov, aby ich viac nadchla fyzika., Vzbudiť väčší záujem detí o fyziku, ukážky aj takých experimentov, ktoré nemôžeme v škole urobiť., Priblížiť žiakom zábavnou formou Fyziku., Vidieť zaujímavé experimenty, priblížené žiakom vtipnou formou.. Záver Show je jedným z nástrojov popularizácie nielen fyziky, ale aj iných prírodných vied. Zistili sme, že návšteva fyzikálnej show pomáha vytvárať kladný vzťah žiakov k predmetu fyzika. Našim cieľom do budúcna je pokračovať v týchto podujatiach. Žiakov však nielen motivovať, ale aj vytvárať pre nich príležitosti, kde sa budú môcť prírodným vedám venovať. Vyhodnotením učiteľských dotazníkov sme tiež prišli k názoru, že fyzikálna show, môže byť motiváciou aj pre nich. A pre to uvažujeme o spolupráci aj s učiteľmi na iných, popularizačných projektoch. Poďakovanie Táto práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy LPP Adresa autorov Mgr. Martin Štubňa, PaedDr. Ľubomíra Valovičová, PhD., Mgr. Ján Ondruška, PhD. Katedra fyziky, Fakulta prírodných vied Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre Tr. A. Hlinku 1, Nitra martin. stubna@ukf.sk, lvalovicova@ukf.sk, jondruska@ukf.sk

233 PROJEKTOVÁ METODA ASTRONOMIE JAKO JEDNA Z CEST KE ZVÝŠENÍ ATRAKTIVITY VYUČOVÁNÍ FYZIKY Zuzana Suková Západočeská univerzita v Plzni Fakulta pedagogická KMT Oddělení fyziky Abstrakt: Ve svém příspěvku bych chtěla poukázat na možnost zvýšení atraktivity předmětu fyzika prostřednictvím žáky často oblíbeného tématu astronomie. V dnešní době nepatří přírodovědné předměty mezi oblíbené a jako jedna z možností změny se mi jeví využití projektové metody. Projekt Navrhněte obyvatelný uměle vytvořený měsíc Jupitera, díky němuž se žáci mohou seznámit s naší sluneční soustavou a Keplerovými zákony, jsem aplikovala na 6 školách. Zároveň jsem na těchto školách zjišťovala rozvoj klíčových kompetencí a změnu sociometrické pozice žáka ve skupině. Kľúčové slová: klíčové kompetence, motivace, projektová výuka, sluneční soustava Úvod Povinná docházka je v ČR od šesti let a trvá devět let. Poté následuje u mnohých studentů střední škola a často také škola vysoká. Mnohým žákům tedy studium zabere dvojnásobný počet let, než je ze zákona povinné. Školní léta by proto žáci a studenti měli vnímat jako příjemné a ne nutné zlo. Během těchto let bychom si měli osvojit množství znalostí, ale i dovedností. V posledních letech je důraz kladen právě na získání klíčových kompetencí, ale i přesto se některé věci musíme často naučit zpaměti. Uvědomíme-li si, že žijeme v době moderní techniky, tak bychom ale neměli klást důraz pouze na pamětní učení bez pochopení, jako tomu bylo dřív. Také tabule a křída neodpovídá reálnému světu, kde se dnes bez výpočetní techniky neobejdeme. Nepovažuji ji za zbytečnou, ale podle mého názoru je vhodné do výuky začlenit i jiné formy než frontální výklad a opisování z tabule. Chceme přeci, aby se žáci učili nejen proto, že musí, ale i proto, že chtějí, kdy je učení motivováno uspokojováním vnitřních potřeb. Dítě se mnohem více naučí, když se může aktivně zapojit do výuky. O výhodách alternativních metod místo drilu svědčí i zavádění didaktických her. Navíc jak říká moudré čínské přísloví: Řekni mi a já zapomenu, ukaž mi a já si zapamatuji, nech mne to udělat a já pochopím. Na této koncepci je postavena mimo jiné i projektová metoda. Věřím, že snem každého pedagoga je třída, kterou výuka baví. Bohužel v přírodních vědách to není nijak častý jev. Ve svém příspěvku bych se ráda zaměřila na předmět fyzika, který je v České republice součástí vzdělávací oblasti Člověk a příroda. Tato oblast navazuje na vzdělávací oblast Člověk a jeho svět, která je realizována na 1. stupni základního vzdělávání. A jak vnímají předmět fyzika sami žáci? Ve mnou aplikovaném dotazníkovém šetření uvádělo 218 žáků z deseti tříd (9. ročníky ZŠ, 1. ročníky SŠ a odpovídající ročníky víceletých gymnázií) svoji oblibu předmětu a vnímání nudy v hodinách. Fyziku jako celkem oblíbený předmět uvedlo 40% žáků, 15% na tento předmět nemá žádný názor, 45% ji rádo nemá. Více než třetina žáků se během hodin fyziky často nudí. Přestože se nejedná o příliš plošný výzkum, tak si myslím, že naznačuje problém s neoblíbeností předmětu. Myslím si, že je nejvyšší čas pokusit se tato čísla změnit. Kde se ale nachází jádro problému? Proč se žáci nechtějí učit, když dětem je od přírody vrozená zvídavost a touha objevovat? Podle mě žáci nejsou líní, jen jsou málo motivovaní. Pestré výukové metody můžou hodiny změnit. Jako oblíbenou činnost žáci v dotaznících uváděli nejčastěji pokusy a příklady ze života a z praxe

234 Projektová metoda Já bych se chtěla konkrétněji věnovat projektové metodě. V dnešní době je projektová metoda prodiskutována opravdu velmi často. Možná vás překvapí, že se rozhodně nejedná o nijak novou metodu. Již stoupenci hnutí progresivní výchovy (přelom 19. a 20. století v USA) se snažili nahradit dril a disciplínu projektovým a problémovým vyučováním. Ideu změny amerického školství můžeme připsat Johnu Deweyemu. Jeho myšlenky uvedl poté do praxe jeho spolupracovník William Kilpatrick. Ten navrhl koncentrovat látku v projektech, které vycházely ze života dětí. Důležité nebylo tolik až samotné učivo, ale rozvoj osobnosti, smyslu pro odpovědnost a mnohé další. První experimentální ověření této metody provedl E. Collings. I když jeho výsledky nejsou nezpochybnitelné, ukazují, že projektová metoda má vedle výchovného efektu i vzdělávací efekt. V literatuře se dočteme, že promyšleně připravený projekt žáky aktivizuje, zvyšuje jejich motivaci, iniciativnost a odpovědnost, poskytuje jim vhodný prostor pro komunikaci s ostatními. Dále rozvíjí jejich vytrvalost, sebekritičnost i sebedůvěru, podněcuje je k tvořivým činnostem a zároveň dopomáhá k rozvíjení klíčových kompetencí. Projekt je podnik žáků a nemá přesně dané mantinely vytyčující jedinou správnou cestu, proto je práce učitele složitější. Vymyslela jsem tedy projekt z oblasti astronomie, což je pro žáky i podle dotazníkového šetření doktorky Ivany Markové v letech nejpřitažlivější partie fyziky. [4] V rámci své diplomové práce jsem vymyslela projekt z astronomie Navrhněte obyvatelný uměle vytvořený měsíc Jupitera, během něhož učitel aktivizujícími metodami seznámí žáky s naší sluneční soustavou, problematikou pohybu planet kolem Slunce a měsíců kolem jejich planet. Protože časová dotace hodin na našich školách není příliš optimální, zvolila jsem krátkodobý projekt v rozsahu čtyř vyučovacích hodin. Výuka předmětu fyzika sice probíhá na druhém stupni základní školy (a odpovídajících ročnících víceletých gymnázií) ve všech ročnících, ale vyučovací předmět má časovou dotaci v šestém ročníku jen 1 hodinu, v sedmém, osmém a devátém ročníku je časová dotace 2 hodiny (jedná se o povinnou dotaci hodin, která může být ředitelem navýšena). Vyučující tedy bohužel nemá optimální prostředí pro realizaci dostatečného počtu pokusů a častější začlenění časově náročnějších forem výuky. Mnou navržený projekt není vhodné koncipovat v rámci jednoho dne, protože předpokládá samostatnou práci žáků i mimo výuku. Podle možností školy jsem jej realizovala buď ve 4 oddělených hodinách v rámci 2 týdnů, nebo ve 2 dvouhodinách v rámci 1 týdne. Druhá možnost předpokládala upravení rozvrhu žákům. Abychom mohli docílit rozvoje sociální kompetence a lépe rozvíjeli i kompetenci komunikační, dala jsem přednost skupinovému projektu. Navíc práce ve skupině více odpovídá reálnému světu většinou na problému nepracuje jedinec izolovaně, ale naopak se na řešení podílí celý tým. Volila jsem skupiny o přibližně pěti žácích. Absolventům našich gymnázií je právě často vytýkáno, že sice mají dostatečné znalosti, ale neumějí pracovat v týmech. Přitom spolupráce je pro budoucí život velmi důležitá a nedá se získat jinak, než prací ve skupinách. Sami studenti mi ve vyplněných dotaznících mimo jiné uváděli jako problém to, že neuměli spolupracovat a domluvit se v týmu. Aby mohl projekt na škole optimálně proběhnout, je potřeba každému řešitelskému týmu poskytnout nejméně 2 počítače s přístupem na internet a pro výstupy žáků je vhodný program PowerPoint a v učebně nainstalovaný dataprojektor. Obdobně jako je svět kolem nás multioborový, tak i do mého projektu kromě fyziky zasahuje učivo informatiky, matematiky a v případě ztvárnění malbou také výtvarné výchovy. Nejdůležitějšími částmi projektové metody jsou úvodní motivace, kdy by žáci měli problém přijmout za svůj a měli by mít chuť jej úspěšně vyřešit. Jako motivace k vymyšlení nového obyvatelného tělesa byly nastíněny různé možnosti zániku naší planety (srážka s planetkou, přesun Slunce do fáze červeného obra, ) a potřeby rozšíření obyvatelné plochy formou přesídlení části populace na jiné vhodné místo naší sluneční soustavy (problém nárůstu počtu obyvatel)

235 Diskuse v jednotlivých skupinách rozvíjí u žáků komunikační kompetence (vyjádření vlastního názoru, argumentace, umění naslouchat, ) a sociální kompetence. Důležité je i konečné prezentování výsledků jednotlivými týmy před třídou nebo ještě lépe širší veřejností. Výsledky jednotlivé týmy prezentovaly před svými spolužáky a učitelem za pomoci připravené prezentace v programu PowerPoint nebo pomocí plakátů. Pro seznámení ostatních žáků a učitelů školy s výsledky své práce zvolili týmy po domluvě s učitelem malbu jejich nového měsíce Jupitera doplněnou o navrhované parametry, kterou vystavili na chodbě školy. Tato část lze zařadit v rámci hodin výtvarné výchovy pouze u tříd, kde je výtvarná hodina povinná pro všechny. Autorem hodnocení není učitel, ale především sami žáci a jejich spolužáci. Na rozdíl od mnohých jiných forem výuky, kde je hodnocen pouze výstup, při projektovém vyučování je hodnocena celá cesta. Důraz při hodnocení prezentací byl kladen i na vystupování žáků a zdůvodnění všech navrhovaných hodnot. Ve všech třídách, kde byla tato metoda aplikována, probíhal zároveň pedagogicko-psychologický výzkum. Všem výzkumným třídám, kde proběhla projektová výuka, i kontrolním třídám, kde výuka probíhala klasickými metodami, byl zadán před a po probrání látky kognitivní test zkoumající znalosti z oblasti naší sluneční soustavy a dotazníky zkoumající oblibu předmětu, sociometrickou pozici a rozvoj klíčových kompetencí. Vyzkoušení projektu v praxi Projekt byl aplikován na šesti školách, naposledy začátkem měsíce dubna 2012 ve 2. ročníku šestiletého studia na Gymnázium J. Š. Baara v Domažlicích, což odpovídá 9. ročníku ZŠ. Výsledky z této školy bych Vám ráda prezentovala. Jak již bylo řečeno, výzkum se zaměřil hlavně na rozvoj klíčových kompetencí pracovních, k učení, k řešení problémů, komunikačních a sociálních a změnu sociometrické pozice žáka ve skupině v rovinách dominance submise, závislost nezávislost na skupině a afiliace - hostilita. Následující graf ukazuje míru rozvoje klíčových kompetencí u žáků z Gymnázia v Domažlicích. Obr. 1: Graf znázorňující míru rozvoje klíčových kompetencí Bílá a světle šedá barva představují, že projekt byl nastaven tak, aby danou kompetenci nerozvíjel nebo ji rozvíjel jen mírně. Tmavě šedá vyjadřuje průměrný rozvoj a černá barva výrazný rozvoj kompetence. Vidíme, že v této třídě projektová metoda nejlépe rozvíjela kompetence k učení a k řešení problémů, kde k výraznému rozvoji došlo u poloviny žáků, ale také komunikační a sociální dovednosti. Dále bylo zkoumáno, zda v rámci týmu si žák může vyzkoušet svoji vytouženou sociometrickou pozici. Nejlepších výsledků bylo dosaženo v rovině dominance submise, což bylo očekávané. Právě vedení malé skupiny (řešitelského týmu) dá žákovi možnost uplatnit se ve vůdčí pozici,

236 přestože v celé třídě se může nacházet spíše na submisivní pozici. Kromě jiného projekt způsobuje větší závislost na ostatních členech třídy a i zde bylo dosaženo positivního posunu. Neshody v jednotlivých týmech se negativně promítly do sféry hostilita afiliace. Ukázky výsledků práce žáků Přestože úkolem žáků bylo určit jen několik parametrů navrhovaného tělesa, tak na příkladu fialového týmu (třída byl rozdělena na skupiny označené barvou tak, aby znalosti jednotlivých skupin byly srovnatelné) vidíme, že dobrovolně úkol splnili na více než 200%. Tab 1: Ukázka navrhovaných parametrů žáky z Gymnázia v Domažlicích Základní charakteristika měsíce Enterprise (fialový tým) Poloměr měsíce 6,8 x 10 6 m Hmotnost měsíce 7,24 x kg Objem měsíce 1,317 x km 3 Průměrná hustota 5 500kg/m 3 Střední poloměr dráhy km Střední vzdálenost od Slunce 5,2AU Doba oběhu kolem Jupiteru 577,7 dne Oběžná rychlost 2517,5m/s = 9063km/h Střední teplota povrchu 20 C (293,15 K) Sklon rotační osy Délka dne 27h Dominantní rasa člověk Zdroj energie termojaderná fúze Náhrada slunečního svitu lampy Měsíc navrhli o trochu větší než Země, aby se na něj lidstvo vešlo, hustotu má podobnou Zemi, takže má trochu větší hmotnost. Nachází se v dostatečné vzdálenosti od Jupitera, kde již není radiace tak silná, doba oběhu je počítána pomocí 3. Keplerova zákona. Oběžná rychlost byla počítána při zjednodušení, kdy byla dráha považována za kruhovou. Žáci se zabývali také povrchem měsíce, podílem moří a pevnin, navrhovali nové živočišné a rostlinné druhy, Mnoho studentů také dobrovolně přišlo do školy před vyučováním, aby mohli společně na projektu pracovat. V připomínkách se objevovala kritika nedostatku času, žáky práce bavila a rádi by výsledný produkt ještě trochu vypilovali. V anonymních dotaznících uváděli, že na projektu se jim naopak líbila skupinová práce, spolupráce, možnost vyhledávat informace, jiný a zábavný způsob výuky, prezentace, že se každý se mohl dozvědět něco nového, Záver Myslím si, že i když hodinová dotace předmětu fyzika v České republice neumožňuje provést dostatečné množství pokusů a všechny hodiny vést pouze jinými metodami než výkladem, je důležité změnit náš pohled na vyučování a tím hlavně pohled žáků na učivo. Je nezbytně nutné snažit se o vzbuzení potřeb žáků. Musíme se opřít nejen o vnější motivaci ve formě pochvaly, i když i ta je důležitá, ale hlavně o poznávací potřeby, potřeby seberealizace, Ke snížení nudy dobře přispívá začleňování různých forem výuky, žáci upřednostňují pestré vyučování. Dále by pedagogové měli žáky upozornit na propojení teorie s praxí se skutečným světem. I v běžných příkladech na procvičení by se měly objevovat jevy z běžného života. Žáci se usmějí, čtou-li

237 v zadání: Automobil jel rychlostí 40km.h -1, ale asi by je víc bavilo řešit stejný příklad, bude-li v něm nějaká konkrétní značka automobilu a reálná rychlost jízdy. Jako jedna z metod vhodných pro změnu se mi jeví právě projektová výuka. Přestože jsem metodu ověřovala jen na šesti školách, myslím si, že má mnoho kladů a dává učiteli do rukou úžasný nástroj výuky. Díky ní žáci rozvíjejí svoje kompetence, nepracují izolovaně od reality a zároveň projekt působí jako silný motivační prvek. Studenti sami přicházejí na mnoho cest řešení a zamýšlejí se nad souvislostmi. A i když některé kroky musí učitel v průběhu opravit, má žák pocit, že dělá něco smysluplného. Právě při samostatné tvůrčí práci žáků může být snadno objeven jinak skrytý potenciál. Každé dítě by navíc mělo ve všech předmětech zažít alespoň občas pocit úspěchu. Jinak se pro něj po čase může vytvořit k učivu odpor. Projektová výuka umožňuje žákům pracovat jejich tempem a využívat jejich učební styl. Navíc práce v týmech umožňuje dělbu práce, a tak si každý snadno najde oblast, ve které se cítí dobře a ve které může přispět k výslednému produktu. Díky tomu každý žák může mít radost a zažít uspokojení při přispění ke společné práci. I když nemůžeme učit pouze touto metodou, žáci ji velmi uvítají a je důležité ji občas aplikovat. Cílem všech učitelů základních i středních škol by měla být snaha o co možná největší vzbuzení zájmu o přírodovědné předměty a propojení reálného světa s učební látkou. Je důležité si uvědomit, že jen žáci, kteří se budou chtít učit, se ve škole něčemu skutečně naučí. Zároveň bych byla ráda, kdyby na můj výzkum navázali další autoři. Poďakovanie Výzkum efektivity projektového vyučování probíhal v letech v rámci projektu studentského grantového systému ZČU v Plzni Efektivita projektové metody ve vyučování matematiky, fyziky a informatiky. Dotazníky byly vytvořeny ve spolupráci s Mgr. Vladimírou Lovasovou, Ph.D z katedry psychologie FPE ZČU v Plzni. Data byla zpracována ve spolupráci s Mgr. Denisem Mainzem. Všem bych touto cestou ráda poděkovala. Literatúra [1] BEDNAŘÍK, Milan BUJOK, Petr ŠIROKÁ, Miroslava Fyzika pro gymnázia Mechanika. 1. vyd. Praha: Prometheus,1993. kap. 5 Gravitační pole, s ISBN [2] KAŠOVÁ, Jitka a kol Škola trochu jinak: projektové vyučování v teorii i praxi. 1. vyd. Kroměříž: Iuventa, s. [3] KRATOCHVÍLOVÁ, J Teorie a praxe projektové výuky. 1. vyd. Brno: Masarykova univerzita, s. ISBN [4] MARKOVÁ, I Astronomie jako motivační prvek ve výuce fyziky. In: Rybák, J.: Zborník 2. ročníku konference Celoslovenský astronomický seminár pre učiteľov vyd. Tatranská Lomnica: Astronomický ústav SAV, 2008, s ISBN [5] TOMKOVÁ, Anna KAŠOVÁ, Jitka DVOŘÁKOVÁ, Markéta Učíme v projektech. 1. vyd. Praha: Portál, s. ISBN Adresa autora PhDr. Zuzana Suková Západočeská univerzita v Plzni Fakulta pedagogická KMT Oddělení fyziky Klatovská Plzeň Česká republika zsukova@kmt.zcu.cz

238 FYZIKÁLNY EXPERIMENT ZA VLASTNÉ Pavol Valko Oddelenie fyziky, Ústav jadrového a fyzikálneho inžinierstva, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Slovenská technická univerzita, Bratislava Abstrakt: Experimentálna fyzika je finančne náročná vedná disciplína. V podmienkach súčasného financovania vedy na Slovensku sa jej dá venovať len za veľmi špecifických podmienok, veľmi často zahŕňajúcich kompromisy s vlastným svedomím. Aj bez reálneho prístupu k verejným grantovým prostriedkom sa ale experimentálny fyzik môže venovať svojej disciplíne ako prirodzenej záľube výskumníka aj prospešnej forme psychohygieny, založenej na prekonávaní vlastných intelektuálnych výziev. Realizácia viac či menej komplexných experimentálnych zariadení zo súkromných finančných zdrojov učiteľa je dostatočne netriviálnou výzvou, vyžadujúcou nápaditosť aj rozsiahle všeobecné vedomosti, čo je podstatou aj cieľom podobného tréningu. Kľúčové slová: demonštračná pomôcka, vizualizácia alfa častíc, torzné kyvadlo Úvod V mojom príspevku chcem ukázať, ako aj veľmi jednoduché postupy umožňujú rozvíjať a cibriť vlastné mentálne schopnosti aj mechanické zručnosti. Na štyroch príkladoch mienim demonštrovať, ako je možné na báze samofinancovania vytvoriť učebnú pomôcku, vyžadujúcu technickú zručnosť, nájsť spôsob ako vizuálne pozorovať alfa častice, vytvoriť efektný a bezpečný demonštračný kanón a nakoniec ako zostaviť a prevádzkovať skutočný fyzikálny experiment na meranie veľmi malých síl. Parný stroj Použitie parných strojov dnes patrí skôr do oblasti historických vied, ale aj dnes má potenciál zaujať pri demonštrácii a ponúknuť priame prepojenie na teoretické vysvetlenie práce plynu. Základom tejto učebnej pomôcky je tzv. oscilačný parný stroj. Kmitavý pohyb mosadzného bloku valca (Obr. 1a) zjednodušuje kľukový mechanizmus, prevádzajúci pohyb piesta medzi hornou a dolnou úvraťou vo valci na rotačný pohyb zotrvačníka a súčasne nahradzuje mechanizmus rozvodu stlačeného plynu podľa fázy cyklu stroja. Viditeľná je len trubka prívodu stlačeného plynu, priepuste prívodu a odvodu plynu sú schované medzi pevným a pohyblivým mosadzným blokom s výfukom je zadnej strane. (a) (b) Obr. 1: Miniatúrny mechanizmus pracujúci na princípe jednovalcových oscilačných parných strojov (a). Zdroj energie vo forme stlačeného vzduchu (b)

239 Prevádzkovanie rôznych systémov stlačených plynov, nehovoriac o horúcej tlakovej pare, podlieha veľkému počtu prísnych bezpečnostných predpisov, ktoré som obišiel použitím jednoduchého zásobníka stlačeného vzduchu (2 litrová PET fľaša s vlepeným ventilom z použitej cyklistickej duše), ktorý je tlakovaný bežnou cyklistickou pumpou (obr. 1b). Merač tlaku slúži len ako doplnok na umožnenie prípadného kvantitatívneho pozorovania. Prepojene učiva o plynoch so zákonmi zachovania a účinnosťou, umožňuje porovnať množstvo vykonanej práce plynom, napr. pri dvíhaní závažia, so zásobou energie stlačeného plynu v zmysle E ( pv ) (1) Bez ohľadu na to, či bude stlačený plyn pri pohone podobného mechanizmu vykonávať adiabatický alebo izotermický dej (samozrejme s rozdielnym množstvom použiteľnej zásoby energie plynu), dá sa ním podnietiť aspoň záujem na overenie rozmerovou analýzou, že súčin jednotky tlaku (Pascal, t.j. [kg m -1 s -2 ]) s jednotkou objemu [m 3 ] je skutočne jednotkou energie (Joule, t.j. [kg m 2 s -2 ]). Spinthariskop Názov jednoduchého zariadenia, ktorý ako prvý použil William Crookes na priame pozorovanie alfa častíc, je odvodený od gréckeho výrazu pre iskru (σπινθηρ) a mohol by sa voľne prekladať aj ako pozeradlo na iskričky. Dopad alfa častíc, ktorých energia je typicky niekoľko MeV, vyvoláva na tenkej vrstve materiálu, schopného scintilácie (typicky sa jedná o sírnik zinočnatý) také silné záblesky, že tieto sú pozorovateľné s pomocou bežnej (hodinárskej) lupy okom (v zatienenej miestnosti). Aj keď nanášanie tenkej vrstvy ZnS vákuovým naparovaním nie je technicky zvlášť náročné, domácnosti podobnou technikou bežne vybavené nebývajú. Hľadal som preto alternatívne možnosti, akým bol pokus využiť scintilačné vlastnosti luminoforu (rozbitej) televíznej obrazovky, avšak bez úspechu. (a) (b) Obr. 2: Jednoduchá web kamera (resp. aj len jej torzo, vpravo) umožňuje vizualizovať a zaznamenať dopad alfa častíc na scintilujúcu šošovku, resp. samotný CCD prvok. Zdroj alfa častíc je 241 Am, zobrazený pred kamerami a pochádza z likvido-vaného detektora požiaru (a). Vybraný snímok zo zaznamenanej videosekvencie, na ktorom počas expozičného času (pri záznamovej rýchlosti 30 snímkov za sekundu) sú pozorovateľné tri záblesky po dopade alfa častíc (b). Nápad využiť CCD prvky, používané vo väčšine súčasných digitálnych fotoaparátov, pochádza z vedomosti o tom, že priamo (aj odzadu) iluminované CCD prvky sa používajú ako zobrazovacie prvky súčasných astronomických teleskopov, skúmajúcich vesmír v röentgenovej oblasti spektra, umiestnených na družiciach Chandra aj XMM-Newton. Pri prvom teste som preto použil už

240 rozobranú web kameru (Creative, na obr. 2a vľavo) a overil som si, že CCD prvok, ktorým je osadená, je skutočne citlivý na dopadajúce alfa častice. Pri systematickom ďalšom testovaní ďalších web kamier (výberovým pravidlom bola výpredajová cena do 10 EUR) som prekvapujúco zistil, že využitie ich integrovanej optiky efekt ešte mnohonásobne zosilňuje. Na druhej strane, nie každá testovaná kamera dávala signál. Z toho so usúdil, že umelohmotné šošovky lacných web kamier fungujú ako plastické scintilátory a záblesky, ktoré vznikajú na ich prednom povrchu (alfa častice použitých energií majú zanedbateľnú penetračnú hĺbku) sa premietajú na svetlocitlivý prvok. Z porovnávacieho testu piatich web kamier vyšiel víťazne typ Logitech s cenou 6,40 EUR. Obrázok 2b zachytáva štyri záblesky, zachytené počas expozičného času jednej snímky videosekvencie (t.j. menej ako 1/30 sekundy). Vizualizácia pomocou priameho pozorovania videosekvencie, resp. jej zaznamenania, je ešte podstatne presvedčivejšia ako statický obrázok, ktorému chýba dynamika jednotlivých zábleskov. Nastavenie citlivosti videokamery pomocou ovládačov, umožňuje regulovať intenzitu záblesku, kontrast, atď. pre zvýraznenie pozorovaných zábleskov. Po každej uskutočnenej zmene nastavenia je ale potrebné kontrolovať pozorovaním čierneho nič (efekt bez prítomnosti zdroja), aby sme nastavením neprekročili hranicu tzv. čierneho prúdu a neklamali sami seba. Kanón Ďalšou učebno-demonštračnou pomôckou, ktorú používam na demonštráciu šikmého vrhu je malý kanón kalibru 36,5 mm (~1,5 cóla). Základom jeho konštrukcie je mosadzný uzáver, v ktorom prebieha horenie čierneho pušného prachu a hlaveň z vodárenskej PVC trubky dĺžky 14 cm. Pre efekt je konštrukcia doplnená o masívnu drevenú lafetu a vypletané kolesá, do ktorej sa hlaveň s uzáverom upevňuje dvoma skrutkami, ktoré súčasne slúžia aj na nastavenie požadovaného elevačného uhla. Pre vizualizáciu pohybu projektilu je potrebné aby tento bol dostatočne veľký, preto ako projektil používam detskú gumenú loptičku ( hopku ) chránenú pred ohorením samolepiacou hliníkovou fóliou. Celková hmotnosť projektilu je 25 g. Veľká pružnosť projektilu je zárukou, že ani po náraze na pevnú prekážku nezanecháva výrazne stopy, čím umožňuje strieľať aj v interiéroch. (a) (b) Obr. 3: Kanón v stave per-partes. Masívna čierna lafeta nie je pre funkčnosť pomôcky dôležitá ale pomáha navodiť správnu experimentálnu atmosféru (a). Výber materiálov a celková konštrukcia umožňuje jednoduchú inicializáciu výstrelu zápalkou aj v interiéri (b). Pri návrhu parametrov kanóna, hlavne pre zachovanie bezpečnosti, som použil známe parametre horenia čierneho pušného prachu, uvedené v Tab

241 Tab 1: Parametre horenia čierneho pušného prachu, podľa (Brown,1989). Parameter hodnota rozmer entalpia horenia - 2,84 kj/g maximálna teplota horenia 1200 o C lineárna rýchlosť horenia 0,44 0,95 cm/s Z týchto hodnôt je odvodená veľkosť vŕtaného otvoru v uzávere s priemerom 5,6 mm a hĺbkou 18 mm, do ktorej sa zmestí 0,6 gramu voľne sypaného čierneho pušného prachu ( Vesuvit LC, pre repliky, historické zbrane a brokové náboje, Explosia a.s., Semtín ). (a) (b) (c) (d) Obr. 4: Snímky zachycujúce niektoré fázy výstrelu. Horenie pušného prachu v zapaľova-com kanáliku a inicializačná zápalka vymrštená jeho tlakom (a). Okamžik výstrelu, keď horúce plyny upúšťajú hlaveň. Projektil sa dá len vytušiť na ich prednom okraji (b). Červenou šípkou označený projektil je už vzdialený od kanóna, keď dohára zvyšok prachu v komore (c). V rozplývajúcom sa dyme po výstrele je markantný pohyb kanóna, pôsobením spätného rázu. Pozorovateľný projektil (aj s jeho tieňom) tesne pred nárazom na stenu. Zmeraním vzdialenosti steny a odhadom času (z počtu záberov videosekvencie) medzi výstrelom a nárazom sa dá určiť rýchlosť projektilu (resp. jej priemet vo vodorovnom smere) (d). Uvedené množstvo prachu je dostatočné na efektný vystrel (Obr. 4a-4d) a súčasne minimalizuje dopady prípadného zlyhania. Pre maximálnu bezpečnosť demonštrácie je podstatná kombinácia dodržiavania základných pravidiel pri manipulácii s nabitou zbraňou (za žiadnych okolností nesmie

242 hlaveň mieriť na osoby, resp. nikto sa nesmie zdržiavať v smere výstrelu) a dizajnu samotného kanóna. Umelohmotná hlaveň nepredstavuje ohrozenie zdravia ani v prípade maximálneho zlyhania (roztrhnutie hlavne pri zaseknutí projektilu v nej). Mosadzný uzáver, v ktorom prebieha samotné horenie pušného prachu, slúži v podstate len ako zdroj stlačeného plynu pre rozbeh projektilu v hlavni. Ak by z neznámeho dôvodu malo dôjsť k roztrhnutiu mosadzného uzáveru (napr. pri nabití oveľa silnejšou trhavinou) je zadná stena uzáveru 2x tenšia oproti stene okolo otvoru prachovej náplne, čím by došlo najskôr k odtrhnutiu práve tejto zadnej steny a jej pohybu v smere, kde sa pri výstrele nesmie nikto nikdy nachádzať. Napriek poctivej príprave návrhu kanóna sa nepodarilo dosiahnuť primárny cieľ, a to možnosť vypočítať presnú trajektóriu letu projektilu a predpovedať miesto jeho dopadu. Po viacnásobných testoch, porovnávaní a úpravách množstva pušného prach sa potvrdila, historicky známa vec, že podstatným parametrom určujúcim, aké množstvo v uvoľnenej energie sa premení na kinetickú energiu (rýchlosť) projektilu, je miera utesnenia štrbiny medzi stenou kanóna a projektilom samotným. V historických zbraniach sa pre tento účel používala kúdeľ, v moderných sa projektil priamo zarýva do drážkovania hlavne. Z bezpečnostného hľadiska neprichádza ani jedna možnosť do úvahy. Druhým ťažko kontrolovateľným parametrom je utlačenie pušného prachu pred výstrelom. Opäť kvôli bezpečnosti používam len bežné utlačenie statickým tlakom dlane. Okamžitý tlak počas horenia pritom výrazne ovplyvňuje rýchlosť horenia čierneho pušného prachu a následne aj časový priebeh tlaku aj pôsobiacej sily počas výstrelu. Následkom aj malých variácii uvedených faktorov sa rýchlosť projektilu pri opustení hlavne líši faktorom až 1:2,5, a to aj pri presne rovnakej navážke čierneho prachu. Preložené do dostrelu to pri rovnakom elevačnom uhle zodpovedá rozptylu 1:6,25 a o predpovedi miesta dopadu nemôže byť ani reči. Maximálnu rýchlosť dosahuje projektil po výstrele z nevyčistenej hlavne a neprečistenom zapaľovacom kanáliku ~ 25 m/s (určená z dostrelu pri známom elevačnom uhle), keď usadené nečistoty slúžia ako spomínané utesnenie. Opäť, pre zabezpečenie maximálnej bezpečnosti, je čistenie hlavne aj zapaľovacieho kanálika nevyhnutné pred každým výstrelom a vtedy pozorujem najnižšiu rýchlosť projektilu na úrovni ~ 10 m/s (určená opäť z dostrelu, ale aj z počtu záberov videosekvencie pri sledovaní pohybu projektilu). Uvažujme zatiaľ len maximálnu rýchlosť 25 m/s a pokúsme sa vypočítať, resp. len odhadnúť, ako projektil v hlavni zrýchľuje, aký je v nej tlak, atď. Vzhľadom na jednorozmerný charakter tohto pohybu vynechám vektorové označenia a použité symboly zodpovedajú zložkám vektorov v smere pohybu. Z celkovej dĺžky hlavne sa pre rozbeh projektilu využíva len 12 cm jej dĺžky, zvyšok je oblasť úponu k uzáveru a umiestnenie náboja. Ak pre jednoduchosť predpokladáme, že pohyb projektilu v hlavni je rovnomerne zrýchlený, potom platia rovnice v = at (2) 1 2 d = at (3) 2 kde v je okamžitá rýchlosť projektilu, d prekonaná vzdialenosť za čas t (t = 0 v okamžiku keď sa projektil začal pohybovať). Pri známej dĺžke hlavne (l) a rýchlosti projektilu pri jej opustení (v k ) získame jednoduchým porovnaním cez čas pre zrýchlenie a dobu pohybu projektilu v hlavni 2 v0 a = (4) 2l 2l tx = (5) v0 Po dosadení numerických hodnôt dostávame a 2600 ms -2, t x 0,01 s. Prekvapujúco vysoká hodnota zrýchlenia nás núti zamyslieť sa nad veľkosťou sily, ktorá podobné zrýchlenie dokáže udeliť. Použijúc

243 (Newton, 1687) píšeme F = ma (6) Po dosadení známej hmotnosti projektilu tomu zodpovedá sila 65 N, čo nie je nijako extrémne veľká hodnota (6,6 kg v ruke bežne nosíme do/zo školy). Nasledujúcou otázkou je, aký tlak zodpovedá tejto sile. Z definície tlaku F p = (7) S dostávame pri známom priereze hlavne (S h 0,001 m 2 ) hodnotu tlaku p Pa, čo je pretlak len niečo viac ako 0,5 atmosféry. Všetky doterajšie výpočty sú v rámci aproximácie rovnomerne zrýchleným pohybom nenáročné, ale my samozrejme vieme, že pušný prach nebude horieť (produkovať stlačený plyn) podľa našich idealizovaných predstáv. Skúsme preto teraz počítať z druhej strany. Nech rýchlosť projektilu rastie úplne všeobecne v zmysle definície v() t = a() t dt (8) Po opätovnej aplikácie vzťahov (6), (7) dostávame Ft () S v() t = dt = p() t dt m m (9) kde p(t) je okamžitý rozdiel tlakov plynov za a pred projektilom. Najlepším priblížením k teoretickému odhadu konverzie chemickej energie nálože na kinetickú energiu projektilu je vzhľadom na rýchlosť procesu adiabatická expanzia spalín, preto v zmysle vzťahu χ χ pv 0 0 = pv (10) prepíšeme (9) ako χ 1 pv 0 0 dv v = m (11) χ V v kde sme využili súvislosť infinitezimálnej zmeny objemu a času dv = Sdl = Svdt a symbol χ označuje Poissonovu konštantu spalín. Vo vzťahu (11) sú rýchlosť v a objem V vzájomne viazané. Pre zvýraznenie tejto väzby prepíšme integrálnu rovnicu (11) do diferenciálneho tvaru ako χ dv 1 pv = (12) χ dv m V v a riešime metódou separácie premenných ako χ pv 0 0 dv v dv = χ m (13) V s výsledkom 2 χ 1 χ v pv 0 0 V = + c (14) 2 m 1 χ Riešenie (14) určuje závislosť v(v). Označme ako objem V k = 125 cm 3 celý pracovný objem hlavne, v ktorom sa pohybuje projektil a V 0 = 6,4 cm 3 objem diery v mosadznom uzávere a časti hlavne za projektilom pred jeho prvotným pohnutím (počiatočný objem plynov za projektilom). Zo známej únikovej rýchlosti v k = 25 m/s určíme integračnú konštantu vo vzťahu (14) a tento prepíšeme do výsledného tvaru ako

244 pv vv ( ) = v + 2 V V m(1 χ) χ k χ χ ( k ) Ak si zo vzťahu (15) pomocou podmienky v(v 0 ) = 0 vyjadríme stav systému pred pohybom projektilu dostávame známy výraz 2 1 χ vk pv 0 0 V k m = 1 1 χ (16) 2 (1 χ) V0 čo je vyjadrenie faktu, že práca plynu pri adiabatickom deji sa premenila na kinetickú energiu projektilu. Súčasne môžeme vyjadriť počiatočný tlak plynu ako 2 vk χ 1 p0 = m (17) χ 2 V 0 V0 Vk V k Pred numerickým odhadom počiatočného tlaku plynov vyvstáva otázka, o aké plyny sa jedná. Horenie čierneho pušného prachu je zložitou chemickou reakciou s veľkou variabi-litou výsledného produktu, rýchlosti horenia aj výsledného tlaku a teploty spalín. Podľa historických štúdii sa značne zjednodušene zapisuje ako (Noble, 1875) 2KNO3 + S + 3C K2S + N2 + 3CO2 (18) Stechiometrickým výsledkom reakcie (18) je plynná zmes 48 % (hmot.) oxidu uhličitého, 10 % dusíka a zvyšných 42 % tvorí pevný sulfid draselný. Zložitosť reakcie (18) spôsobuje odchýlky od experimentálne stanoveného zloženia spalín, keď tieto vedú k 43 % plynov, 56 % pevných rezíduí a 1 % vody (pary). Keďže hlavným plynným zvyškom je oxid uhličitý, použijeme tabuľkovú hodnotu Poissonovej konštanty oxidu uhličitého χ = 1,28. Dosadením známych parametrov do (17) dostávame p Pa (pribižne 6 atm.). V okamihu keď projektil opustí hlaveň tlak v zmysle (10) poklesne na p k Pa (cca. 0,13 atm.). Obe numerické hodnoty reprezentujú hodnotu rozdielu tlakov za a pred projektilom a sú v rádovej zhode s odhadnutou hodnotou, určenou z čisto mechanických úvah. Ďalším parametrom, ktorý nás pri výstrele môže zaujímať, je teplota plynov. Podľa hodnôt z literatúry vznikne spálením uvažovaného množstva (0,6 g čierneho prachu) ~ 0,3 g oxidu uhličitého. Uvedené množstvo zodpovedá v zmysle stavovej rovnice ideálneho plynu pv = nrt (19) objemu približne 170 cm 3 plynu pri bežnom tlaku ( p a = 10 5 Pa ) a teplote ( 300 K ). Bezprostredne po výstrele nepozorujeme výrazné zvýšenie teploty kanóna ani stopy pôsobenia vysokej teploty na projektil ani uzáver, čo súvisí s faktom, že teoretické hodnoty objemu a tlaku určené podľa (19) sú blízke objemu hlavne (V k = 125 cm 3 ) a celkovému tlaku ( p k + p a Pa ). Nakoniec sa zaujímajme o to, aká časť energie uloženej vo forme chemickej energie sa pri horení čierneho pušného prachu premení na kinetickú energiu projektilu. Merná entalpia horenia čierneho prachu umožňuje určiť celkovú zásobu entalpie vo forme chemickej energie ako H = hm pp (20) kde m pp je hmotnosť pušného prachu a h merná entalpia podľa Tab. 1. Pre m pp = 0,6 g je zásoba entaplie potom H J. Kinetická energia projektilu je vyjadrená ľavou stranou vzťahu (16) a pri známej hmotnosti a rýchlosti projektilu má hodnotu W k 7,8 J. Výrazný rozdiel medzi uvoľnenou chemickou energiou pušného prachu a kinetickou energiou projektilu je zarážajúci. Je úplne zrejmé, že v zmysle druhej vety termo-dynamickej sa uvoľnená energia nemôže premeniť výlučne na kinetickú energiu projektilu, ale značná časť zostane vo forme neužitočného tepla. V prípade demonštračného kanóna sú však straty spojené skôr so spôsobom horenia pušného prachu. Rýchlosť horenia voľne sypaného prachu je vyššia ako rýchlosť horenia v granulách (15)

245 samotných. Úplne iná je rýchlosť explozívneho horenia v uzavretých objemoch, keď rastúci tlak a teplota zapaľuje jednotlivé granule spôsobom rázovej vlny. Z pozorovania postupného preháranie (bez nárastu tlaku a teploty) v zapaľovacom kanálika vieme určiť, že lineárna rýchlosť horenia čierneho prachu dosahuje hodnotu 1,3 cm/s, pričom literatúra udáva hodnoty ešte o niečo nižšie ~ 1 cm/s. Propagácia explozívneho horenia v uzavretom objeme môže dosahovať rýchlosť 150 až 650 m/s (Brown,1989). V prípade opisovaného demonštračného kanóna ide zjavne o kombináciu oboch spôsobov horenia, keď spočiatku je horenie pomalé a až následný nárast teploty a tlaku spôsobuje rýchlejšiu detonáciu zvyšku nálože, čo jasne zobrazuje doháranie vymietnutého zvyšku prachu (Obr. 4c) dávno po opustení hlavne projektilom. Meranie gravitačnej konštanty Tento príklad experimentu má za cieľ demonštrovať, ako sa dá aj za relatívne malú finančnú sumu, postaviť a realizovať experiment pre skutočné cibrenie mysle, precvičenie si vlastných schopností a experimentálnych návykov. Inšpirácia pochádza zo skutočnosti, že aj keď od prvotného pokusu o kvalitatívne potvrdenie platnosti Newtonovho zákona všeobecnej gravitácie (Maskelyne, 1775) a prvom kvantitatívnom meraní (Cavendish, 1798), zostáva hodnota univerzálnej gravitačnej konštanty známe len na štyri platné miesta. Pritom počet pokusov o jej presnejšie určenie, ktoré ponúkali nové metodiky alebo rôzne vylepšenia, bolo viac ako štyridsať. Tabuľka 2 je len krátkou sumarizáciou vybraných experimentálnych hodnôt. Pravdepodobne najrozsiahlejší prehľad o doterajších meraniach je k dispozícii v dizertačnej práci (Kleinevoß, 2002). Pretože viaceré merania si odporujú už na spomínanom štvrtom platnom mieste, je gravitačná konštanta asi jedinou fundamentálnou konštantou, u ktorej v posledných rokoch narástla neistota určenia jej hodnoty. Jej súčasná odporúčaná hodnota je (80) x m 3 kg -1 s -2 (CODATA, 2010). Tab 2: Historicky dôležité a niektoré súčasné experimenty, uskutočnené na meranie gravitačnej konštanty. Uvádzanie neistoty tiež odráža historické zvyklosti, keď namiesto symbolu ± sa v súčasnosti zvykne neistota udávať v kompaktnej forme a často rozlišuje aj systematické a štatistické neistoty. G x [ m 3 kg -1 s -2 ] ~ 6.7 ± ± ± Autor, rok, zdroj, poznámka H. Cavendish, 1798, Philos. Trans. R. Soc. London, 88 (1798) 469. Autor hodnotu gravitačnej konštanty priamo neuvádza. Uvedená hodnota je z výsledku dodatočne dedukovaná. C. Braun, 1897, Denschr. Akad. Wiss. (Wien), Math, naturwiss. Kl., 64 (1897) 187. Prvé meranie vo vákuu ako aj prvé meranie metódou merania doby kmitov torzného kyvadla. J. Zahradnicek, 1933, Phys. Zeit., 34 (1933) 126. Metóda dvojitého koaxiálneho torzného kyvadla s kmitmi stimulovanými gravitačným pôsobením. P. Heyl, P. Chrzanowski, 1942, J. Res. Nat. Bur. Stds., 29 (1942) 1. Prvé použitie volfrámových vlákien a pozorovanie efektu vplyvu metalurgie vlákna na meranie. Druhá hodnota zodpovedá meraniu s vláknom upraveným popúšťaním, prvá vláknu bez úpravy. G. Luther, W. Towler,1982, Phys. Rev. Lett., 48 (1982) 121. Moderné meranie metódou doby torzných kmitov s uvádzanou chybou merania. J. Gundlach, S. Merkowitz, 2000, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) Novátorská metóda, využívajúca digitálne spracovanú spätnú väzbu vzájomného pohybu zdorových hmotností voči fáze torzných kmitov

246 (109) (54) (18) (14) S. Schlamminger et al.,2006, Phys. Rev. D, 74 (2006) Použitie extrémne citlivých váh v diferenciálnom usporiadaní s magneticky určovanou diferenciou pôsobiacích síl. J. Luo et al., 2009,Phys. Rev. Lett., 102 (2009) Najnovšie opakovanie metódy merania doby torzných kmitov, poukazujúce na efekty starnutia vlákien. H. Parks, J. Faller, 2010, Phys. Rev. Lett., 105 (2010) Novátorská metóda, využívajúca Fabry-Perrotov interferometer na určenie odklonu voľne visiaceho závažia vplyvom pôsobenia zdrojovej hmotnosti v rôznych pozíciach voči visiacemu závažiu. Pri mojom experimente som volil metodiku merania rozdielu periódy tozných kmitov v prítomnosti a bez prítomnosti zdrojovej hmotnosti. Geometrické usporiadanie merania znázorňuje obrázok 5. Obr. 5: Torzné kyvadlo pozostáva zo symetrického zotrvačníka zaveseného na 120 cm dlhom volfrámovom vlákne s priemerom 50 m. Úpon vlákna je totožný s geometrickým aj hmotnostným stredom (ťažiskom) torzného kyvadla. Dvojica sklenených guľôčok, podstatne ťažších ako hliníková kostra kyvadla, ktorých stredy opisujú pri kmitoch časti oblúku kružnice s polomerom R, má hmotnosť m 0. Do vzdialenosti d od týchto oblúkov sa umiestňuje zdrojová hmotnosť určená hustotou a v prípade jej sférickej symetrie polomerom r 0. Perióda torzných kmitov je primárne určená torznou tuhosťou vlákna a momentom zotrvačnosti kyvadla a v najvšeobecnejšom tvare ju určujeme pomocou pohybovej rovnice 2 d ϕ de gp I + 0 dt 2 τϕ + = (21) d ϕ kde I je moment zotrvačnosti torzného kyvadla a E gp gravitačná potenciálna energia, v geometrii podľa Obr. 5 určená ako m0 M Egp = G (22) 2 2 ( Rsinϕ) + ( R+ d Rcosϕ) kde M je zdrojová hmotnosť. Samotná rovnica (23) je formou (dôsledkom) klasickej Euler- Lagrangeovej rovnice klasickej mechaniky. Ak sa obmedzíme len na veľmi malé kmity, (cosϕ = 1, sinϕ = ϕ) nadobúda rovnica (23) analyticky riešiteľný tvar 2 d ϕ R( R+ d) I + Gm 2 τ + 0 M ϕ 0 3 = (23) dt 2 d a samotnú gravitačnú konštantu z nej potom určujeme ako 3 I 2d 2 2 G = ( ω ω0 mm RR ) (24) ( + d )

247 kde je pozorovaná kruhová frekvencia torzných kmitov so zdrojovou hmotnosťou a 0 bez nej. Zo vzťahu (26) je zrejme, že každé podobné meranie gravitačnej konštanty je vždy zaťažené systematickými neistotami pochádzajúcimi od merania lineárnych rozmerov (d, R) zariadenia, parametrov aparatúry (I, m 0, M) a merania doby kmitov (T=2 / ). Z a t i a ľčo meranie doby kmitu, resp. jej určenie fitovaním z mnohých kmitov, je merateľné dostatočne presne, lineárne rozmery, moment zotrvačnosti kyvadla a homogenita rozloženia hmotnosti v zdroji sú primárne zdroje neistôt. Pri samotnom experimente bolo potrebné najskôr odstrániť pôsobenie viacerých negatívnych vplyvov (magnetizmus, prúdenie vzduchu, aj jemné otrasy), ktoré efektívne bránili meraniu takého slabého vplyvu, akým je gravitačné pôsobenie dvoch telies. Obr. 6: Celkový záber meracej aparatúry. Fáza (natočenie torzného kyvadla) je určovaná odklonom laserového lúča po odraze od plochého zrkadla, upevneného na osi kyvadla a zaznamenanie stopy na tienidle pomocou web kamery (v popredí). Výsledným experimentálnym usporiadaním je hliníková kostra torzného kyvadla a sklenené závažia, ktoré sú jednoznačne nemagnetické, chránené dvoma sklenenými bariérami a mäkkou magnetickou zliatinou od okolia. Ochranu pred mechanickými otrasmi zabezpečuje masívny olovený príklop, pôvodne časť malého oloveného krytu pre meranie rádioaktívnych preparátov (Obr. 6). Výsledkom jednotlivých meraní je videosekvencia, ktorej jednotlivé snímky určujú časovú škálu a po následnej (off-line) analýze je určená okamžitá výchylka kyvadla (Obr. 7)

248 Obr. 7: Zhoda experimentálnych bodov a numerického fitu tlmených torzných kmitov je veľmi dobrá. Najdôležitejším fitovaným parametrom je kruhová frekvencia kmitov, na obrázku označená ako Omega. O kvalite týchto meraní svedčí aj vzorný priebeh grafického znázornenia výsledku FFT analýzy signálu, potvrdzujúci vysokú kvalitu oscilačného systému, keď najdôležitejším neodstráneným degradujúcim vplyvom zostalo tlmenie, spôsobené aerodynamickými silami (Obr. 8). Obr. 8: Frekvenčné spektrum akumulovanej energie torzných kmitov. Zobrazená je len úzka, veľmi nízkofrekvenčná oblasť. Odstup signálu od šumu je viac ako 3 rády. Pozorovaný deficit pri druhej harmonickej frekvencii sa mi doteraz nepodarilo uspokojivo vysvetliť. Po približne 2 mesiacoch meraní bez a so zdrojom bol dosiahnutý výsledok G = (13.6 ± 4.96 ) x kg -1 m 3 s -2 čo je hodnota skoro presne dvojnásobne prevyšujúca očakávanie. Určená neistota je len 1 odchýlka, určená ako štatistická neistota z mnohých meraní. Určovanie systematických neistôt je pri tomto výsledku nevýznamné, pretože tieto sú schované v štatistike, keď nepresnosť nastavenia polohy zdrojovej hmotností, spôsob prúdenia vzduchu v okolí kyvadla, atď. v konečnom dôsledku ovplyvňujú (menia) pozorovanú periódu a takto sa premietnu do štatistiky. V skutočnosti vykonané meranie takto len ukázalo, že s istotou na 2,5 gravitácia existuje :-) Záver Môžeme sa sťažovať na nezáujem okolia o fyziku, podceňovanie významu exaktných vied v spoločnosti, bezprecedentný úpadok morálky, ale nič nás neospravedlní, ak zanedbáme rozvoj (alebo aspoň udržanie) vlastných intelektuálnych schopností. Ak táto spoločnosť nestojí o plnohodnotného učiteľa, ktorého hlava a intelekt sú neustále trénované skutoč-ným výskumom, musíme si vymýšľať finančne únosné možnosti, ako sa o nevyhnutný tréning postarať sami (Всем смертям назло). Literatúra [1] Brown, M.E. Rugunanan, R.A A Temperature-Profile Study of the Combustion of Black Powder and its Constituent Binary Mixtures. In: Propellants, Explosives, Pyrotechnics, vol. 14, 1998, s

249 [2] Cavendish, H Experiments to dertermine the Density of the Earth. In: Philosophical Transactions of the Royal Society, vol. 88, 1798, s. 469 [3] CODATA, 2010, The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants. Dostupné na: [4] Kleinevoß, U Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstanten G. Bergische Universität Gesamthochschule Wuppertal, 2002, WUB-DIS [5] Maskelyne, N An account of Observations Made on the Mountain Schehellien for Finding Its Attraction. In: Philosophical Transactions of the Royal Society, vol. 65, 1775, s. 500 [6] Newton, Isaac, 1687, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica [7] Noble (captain) Abel, F.A. 1875, Researches on Explosives: Fired Gunpowder. In: Philosophical Transactions of the Royal Society, vol. 165, 1875, s. 49 Adresa autora doc. RNDr. Pavol Valko, CSc. Oddelenie fyziky, Ústav jadrového a fyzikálneho inžinierstva Fakulta elektrotechniky a informatiky, Slovenská technická univerzita, Bratislava Ilkovičova 3, Bratislava valko@elf.stuba.sk

250 SOLÁRNE KOLEKTORY AKO KRÁTKODOBÝ A DLHODOBÝ ŽIACKY VEDECKÝ PROJEKT Ľubomíra Valovičová, Ján Ondruška KF FPV Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre Abstrakt: V príspevku sa budeme zaoberať riešením krátkodobých a dlhodobých žiackych vedeckých projektov, ktoré žiaci realizovali počas aktivít projektu Objavme svet prírodných vied. Žiaci riešili projekt Solárne kolektory v rámci týždňového tábora Prírodovedná ochutnávka, pripraveného pre žiakov základných škôl a tiež v rámci študijného programu DISCI pripraveného pre žiakov stredných škôl. V príspevku ukážeme rozdielnosť v riešením z hľadiska doby riešenia projektu ako aj rozdielnosť v rámci vedomostí a prístupu žiakov k zadanému projektu. Kľúčové slová: krátkodobý a dlhodobý projekt, projektové vyučovanie, solárne kolektory Úvod Projektové vyučovanie vytvára priestor, v ktorom učiteľ môže nájsť uplatnenie pre všetkých žiakov, vie zadeliť každému žiakovi nejakú činnosť, ktorou môže prispieť k úspešnej realizácií projektu a tak nadobudnúť pocit dôležitosti. Práca na projektoch môže uspokojiť potreby žiakov, ktorý majú možnosť realizovať sa v rôznych typoch činností, vyniknúť v nejakom odbore. Súčasne umožňuje žiakom naučiť sa pracovať v tíme. Projektové vyučovanie tiež umožňuje prispôsobiť sa tempu, ktoré žiakom vyhovuje. Vďaka tomu, môžu jeden projekt niektorí žiaci riešiť ako dlhodobý problém a iní žiaci ako problém krátkodobý. Zdrojom poznávania pre žiakov by nemala byť len učebnica alebo učiteľ, ale aj reálny svet. Reálny svet poskytuje obrovský priestor pre aktivizáciu žiakov, pre rozvoj ich kompetencií. Práve prepojenie reálneho sveta a teoretických poznatkov získaných v škole je úlohou učiteľa a je preto potrebné hľadať také metódy, prostriedky a formy práce, ktoré by toto prepojenie umožnili. Učiteľ by mal preto hľadať témy z reálneho života z ktorými sa žiaci majú možnosť konfrontovať, o ktorých sa v spoločnosti diskutuje a preto by mohli byť pre žiakov interesantné. Krátkodobé a dlhodobé projekty Projekty by mali byť späté s bežným životom. Nemali by byť fiktívnou, umelou realitou pre predpisové učivo. Mali by súvisieť aj s mimoškolskou skúsenosťou žiakov, vychádzať zo zážitkov žiakov. Na realizáciu nejakého projektu potrebuje učiteľ dobrý nápad, ktorý si musí dobre premyslieť. Z toho dôvodu je dobre si pozrieť aj rozdelenie projektov. Učiteľovi toto rozdelenie môže pomôcť pri tvorbe projektu. Môže si projekt prejsť cez jednotlivé delenia, ktoré mu umožnia možno lepšie rozpracovanie prípravy projektu. Učiteľ by si mal uvedomiť, že žiadny projekt nie je možné zaškatuľkovať do jedného delenia, ale že na každý projekt sa môže pozrieť v rámci uvedeného delenia. Delenie projektov môžeme nájsť podľa rôznych kritérií. Niektorí autori majú svoje vlastné delenia, iní sa prikláňajú už k existujúcim deleniam projektov. Podľa doby riešenia projektu delíme projekty na (Zelina, 2000; Kratochvílová 2006; Turek,1998) : - dlhodobé - môžu narušiť organizáciu školy, taktiež sa v nich môže zapojiť viacero predmetov, teda žiaci budú skúmať problém z viacerých hľadísk. Pri takomto projekte je nevyhnutná spolupráca učiteľov. - krátkodobé - výhodou je to, že netrvajú dlho. Nenarušujú chod školy a učebný plán. Môže ich organizovať len jeden učiteľ, ktorý môže využiť časový interval na konci školského roku alebo pri realizácii exkurzií či pobyte v škole v prírode. Krátkodobé školské projekty sú

251 prípravou žiakov i učiteľov na úspešné riešenie dlhodobých projektov, v ktorých možno uplatniť zručnosti, techniky a skúsenosti získané pri riešení krátkodobých projektov. Dlhodobý projekt Solárne kolektory Dlhodobého projektu riešenia problematiky solárnych kolektorov sa zúčastnili žiaci prvého až štvrtého ročníka gymnázií (projektu sa zúčastnilo 8 žiakov). Ich úlohou bolo navrhnúť a zistiť účinnosť solárneho kolektora vyrobeného svojpomocne. Na realizáciu projektu boli vyčlenené 2 semestre, počas ktorých sa žiaci zúčastňovali prednášok a seminárov, ktoré im mali pomôcť pri riešení nimi vybraného projektu. Počas prvého semestra sa žiaci venovali hlavne teoretickému štúdiu domácej aj zahraničnej literatúry zaoberajúcej sa problematikou slnečnej energie, šírenia tepla a konštrukciou solárnych kolektorov. Vzhľadom na to, že teoretická príprava mala dlhodobý charakter, žiaci si okrem odporúčanej literatúry nachádzali aj vlastné zdroje, ktoré aj ďalej rozšírili ich vedomosti a rozhľad. Keďže na projekte spolupracovali vždy dvaja žiaci strednej školy, ich úlohou bolo rozdelenie si jednotlivých činností pri realizácii projektu. Na konci prvého semestra, keď už získali predstavu o činnosti solárnych kolektorov, ale aj o problematike šírenia tepla a o solárnej energii, sme pristúpili k teoretickému návrhu solárneho kolektora. Vzhľadom na to, že vyrobený kolektor mal byť jednoduchý a ľahko zostrojiteľný, museli sme voliť materiály, ktoré sú ľahko dostupné, cenovo prijateľné a majú požadované fyzikálne vlastnosti. Ďalšou dôležitou úlohou, ktorú museli žiaci riešiť bolo navrhnúť samotnú metodiku merania. Tento bod bol dôležitý najmä preto, aby sa namerané výsledky dali vyhodnotiť a navzájom porovnať. Keďže každý zo žiakov mal trvalé bydlisko v inej obci, rozhodli sme sa vyrobiť identické kolektory a sledovať ich účinnosť v rozdielnych geografických polohách. Samotná konštrukcia solárnych kolektorov bolo z časového harmonogramu zaradená až na začiatok zimného semestra. Tu sa ukázal jeden z nedostatkov solárnych kolektorov a to efektivita ohrevu počas rôznych ročných období. Obr. 1 Časti jednoduchého solárneho kolektora (1. Absorbér kolektora (je celá plocha kolektora, t.j. čierna hadica + dno kolektora), 2. Odvod ohriatej vody, 3. Prívod studenej vody, 4. Zásobník na vodu) Samotné meranie prebiehali počas dvoch týždňov v mesiaci september. Aby sme vedeli určiť účinnosť nami navrhnutých kolektorov, žiaci museli sledovať teplotu okolitého vzduchu a teplotu vody v zásobníku kolektora v pravidelných intervaloch. Rovnako dôležité bolo aj sledovanie zmien oblačnosti počas celého merania. Pri vyhodnocovaní výsledkov sa ukázala ďalšia vlastnosť

252 solárnych kolektorov a to závislosť efektivity na inštalácii kolektora. V jednom prípade bol kolektor nainštalovaný na balkóne panelákového domu orientovaného na západ. V druhom prípade bol kolektor inštalovaný na záhrade rodinného domu orientovaný na juh. Ukázalo sa, že kolektor orientovaný na juh mal vyššiu účinnosť, ako kolektor orientovaný na západ. Týmto meraním sme iba potvrdili dôležitosť správnej inštalácie solárneho kolektora pre jeho maximálnu účinnosť. Záverom tohto projektu bolo zistenie, že aj kolektory vyrobené z dostupných materiálov, pokiaľ sa správne nainštalujú vykazujú relatívne vysokú účinnosť a dajú sa použiť na ohrev teplej úžitkovej vody. Najlepšie výsledky boli dosiahnuté na kolektore, ktorý bol inštalovaný na juh. Teplota vody v zásobníku bola v priemere o 10 C teplejšia ako teplota okolitého vzduchu. Celý projekt bol spracovaný formou publikácie, ktorú potom žiaci prezentovali na študentskej konferencii, kde obhajovali svoje výsledky pred kolegami z ďalších odborov. Krátkodobý projekt Solárne kolektory Krátkodobého projektu riešenia problematiku solárnych kolektorov sa zúčastnili žiaci druhého stupňa základných škôl počas letného tábora Prírodovedná ochutnávka organizovaného v rámci projektu DISCI Objavme svet prírodných vied. Úlohou žiakov bolo navrhnúť a zistiť účinnosť solárnych kolektorov vyrobených svojpomocne. Na realizáciu projektu bol vyhradených jeden týždeň počas trvania tábora. Aby bol vybraný projekt pre žiakov atraktívny, venovali sme sa jeho riešeniu približne 2 hodiny denne. Zvyšný čas mali žiaci vyplnený táborovými aktivitami a súťažami, ktoré súviseli s hlavným zámerom prírodovedného tábora. Vzhľadom na krátkosť času bolo nutné pripraviť podklady ku štúdiu takým spôsobom, aby im porozumeli aj žiaci základných škôl, aby boli dostatočne motivujúce a aby boli ľahko zapamätateľné. Z toho dôvodu sme nemohli voliť formu samoštúdia, ale volili sme formu interaktívnej prednášky, kde svoje otázky, nápady a názory predkladali aj samotní žiaci. Manažér projektu plnil funkciu moderátora diskusie, ktorý mal za úlohu, aby sa diskusia neodvracala od témy a aby nestagnovala. Žiaci mali tiež k dispozícii študijné materiály, pripravené pre ich rozmer poznania, z ktorých mohli čerpať nápady do diskusie. Po oboznámení sa s teoretickými princípmi fungovania solárnych kolektorov nasledovala časť teoretického návrhu solárnych kolektorov. Vzhľadom na krátkosť času a jednotnú geografickú polohu sme sa rozhodli navrhnúť tri rôzne typy solárnych kolektorov, ktoré by sa navzájom porovnali. Okrem klasického kolektora žiaci navrhli ešte dva neštandardné typy kolektorov, s ktorými sa v technickej praxi nestretávame, ale ako sa ukázalo, ktorých účinnosť výrazne nezaostávala za klasickým typom. Obr. 2. Realizácia hadicového kolektora Obr.3. Realizácia vrecového kolektora Keďže bolo potrebné vyrobiť tri typy kolektorov a pripravovať obhajobu realizácie projektu, museli za žiaci rozdeliť do štyroch skupín tak, aby tri skupiny zvládli zostrojiť solárne kolektory

253 v stanovenom čase a štvrtá skupina mala za úlohu prípravu prezentácie a podrobnejšie štúdium prinesených materiálov. Ďalšou dôležitou časťou bol návrh metodiky merania pre každý typ kolektora tak, aby sa jednotlivé merania dali navzájom vyhodnotiť a tým jednotlivé kolektory porovnať. Metodiku si žiaci navrhovali sami za účasti manažéra projektu, aby sa predišlo neefektívnym krokov v metodike merania. Samotné meranie prebiehalo počas dvoch po sebe nasledujúcich dní. Keďže merania prebiehali celodenne v pravidelných intervaloch, museli sa pri postupne vystriedať všetci členovia skupín, aby neoslabili svoju skupinu počas plnenia táborových aktivít. Záverom tohto projektu bolo porovnanie účinnosti jednotlivých kolektorov. Vzhľadom na to, že kolektory boli vystavené identickým okolitým podmienkam (rovnaké zmeny oblačnosti, teploty vzduchu a prostredia a pohyb slnka po oblohe počas celého merania) boli získané porovnania veľmi zaujímavé a výsledky záviseli hlavne na konštrukcii jednotlivých typov kolektorov. Samotné výsledky boli prezentované v predposledný deň tábora formou táborovej konferencie. Záver Žiaci boli prácou na projektoch obohatení o nové vedomosti a zručnosti, ktoré súviseli s prácou na projekte ako napr. prácu v MS Excel, MS Word pri písaní článku, ale aj ako má vyzerať štylizácia vedeckej práce a spracovanie údajov a mnoho iných. Pre všetkých zúčastnených žiakov bola realizácia článku skôr náročná aj vďaka tomu, že museli zohľadniť množstvo faktorov, ktoré by mal vedecký článok obsahovať. Žiaci sa museli na tému pozrieť z viacerých uhlov pohľadu, pričom mali pri témach využiť aj medzipredmetové vzťahy. To mohlo byť pre nich náročné. Dané projekty boli náročné aj z hľadiska výberu podstatných vecí do príspevkov, vybrať si tie najpodstatnejšie informácie, ktoré sú pre nich dôležité pri výskume. Poďakovanie Táto práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy LPP Literatúra [1] Kratochvílová, J Teorie a praxe projektové výuky. Brno : Masarykova univerzita, ISBN [2] Turek, I Zvyšovanie efektívnosti vyučovania, vydalo združenie pre vzdelávanie. Bratislava: EDUKÁCIA, s. ISBN X [3] Zelina, M Alternatívne školstvo. Bratislava: IRIS, s., ISBN Adresa autorov PaedDr. Ľubomíra Valovičová, PhD. Mgr. Ján Ondruška, PhD. Katedra fyziky, Fakulta prírodných vied Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre Tr. A. Hlinku 1, Nitra lvalovicova@ukf.sk jondruska@ukf.sk

254 ZAVÁDZANIE FYZIKÁLNYCH POJMOV LOM SVETLA A INDEX LOMU AKTÍVNOU POZNÁVACOU ČINNOSŤOU ŽIAKOV Michaela Velanová, Peter Demkanin Oddelenie didaktiky fyziky, Fakulta matematiky, fyziky a informatiky, Univerzita Komenského v Bratislave Abstrakt: V tomto príspevku sa budeme venovať zavádzaniu fyzikálnych pojmov aktívnou poznávacou činnosťou žiakov. Problematiku budeme ilustrovať na sérii aktivít určených pre študentov gymnázií, ktoré vedú k zavedeniu pojmov lom svetla a index lomu svetla. Príspevok bude doplnený o skúsenosti zo školskej praxe pri vyučovaní tejto témy. Teoretickým východiskom práce je výskum v oblasti podporovaného riadeného skúmania (scaffoldingu) a poznatky kognitívnej psychológie z oblasti učenia sa pojmov. Kľúčové slová: Lom svetla, index lomu svetla, budovanie pojmov, scaffolding Úvod V súvislosti s reformou fyzikálneho vzdelávania a s približovaním fyzikálneho vzdelávania potrebám súčasnosti sa veľa výskumných tímov vo svete, ako aj na Slovensku venuje výskumu v oblastiach týkajúcich sa - samotných cieľov fyzikálneho vzdelávania napr. (Demkanin, 2008) - metód a prostriedkov fyzikálneho vzdelávania napr. (Demkanin, 2009), (Horváth, 2011) - a meraniu výsledkov fyzikálneho vzdelávania napr. (Lapitková 2012). V tomto príspevku by sme radi prispeli k tomuto snaženiu najmä v oblasti aplikácie skupiny metód nazývanej podporované riadené skúmanie (scaffolded guided inqiury). Túto metódu navrhol didaktik prírodných vied z Kalifornie M. Klentschym (Klentschy, 2008). Použijeme ju v príprave učiteľa fyziky na gymnáziu v Bratislave na zavedenie pojmov lom svetla a index lomu. Pri tvorbe aktivity sme sa opierali o definíciu učenia od Harlen, podľa ktorej je učenie dávanie zmyslu novým skúsenostiam dieťaťom v spolupráci s inými (Harlen, 2006). Podporované riadené skúmanie Michael Klentschy rozdelil vyučovaciu sekvenciu v podporovanom riadenom skúmaní na tri základné fázy plánované, realizované a dosiahnuté kurikulum. V rámci plánovaného kurikula je podstatné uvedomiť si, čo budeme učiť, aké poznatky majú študenti nadobudnúť, aké schopnosti majú rozvinúť. Táto časť je učiteľovi viac menej daná, ale učenie bude úspešné len vtedy, ak každý zo zúčastnených na vyučovacom procese (učiteľ aj žiak) dá zmysel obsahu učenia. Samozrejme, každý na svojej úrovni. Realizované kurikulum predstavuje konkrétnu žiacku aktivitu, ich vlastné skúmanie, pri ktorom plánujú a realizujú experiment, interpretujú jeho výsledky. Tomu musí predchádzať príprava vhodných pracovných podmienok. Učiteľ musí zabezpečiť, aby študenti poznali používané pojmy a nástroje, mali potrebné poznatky. Počas samotnej aktivity má učiteľ rolu pomocníka, moderuje diskusiu, navodzuje výskumné otázky, nabáda k tvorbe vlastných otázok. Poskytovanie spätnej väzby žiakom je úlohou učiteľa v tretej fáze podporovaného riadeného skúmania dosiahnutom kurikule. Zároveň ide o jednu z najdôležitejších a často aj najťažších úloh učiteľa. Ak si povieme, že žiakov musíme oznámkovať, smerujeme do slepej uličky. Bolo dokázané viacerými výskumami, že známkovanie vôbec nemá vplyv na výsledky dosahované žiakmi. Pri podporovanom riadenom skúmaní sa kladie dôraz na komentár učiteľa žiakovi. Nemá byť

255 kategorický ale v priamom súvise s obsahom a procesom skúmania a ktorý v sebe zahŕňa identifikáciu možných zlepšení procesu skúmania. Priebeh aktivity V obsahu vyučovania fyziky, ktorý definuje Štátny vzdelávací program, sa nachádza aj téma lom a odraz svetla. Bližšie je špecifikované, že študenti majú spoznať zákony odrazu a lomu svetla a informatívne sa dozvedieť o indexe lomu svetla. Je požadované, aby po absolvovaní predmetu fyzika vedeli pracovať s modelom svetelného lúča. Tým sú stanovené obsahové ciele vyučovacej jednotky. Odporúča sa zachytiť obsah a zmysel jeho učenia sa do jednej základnej myšlienky, ktorá bude spájať niekoľko vyučovacích jednotiek. V našom prípade je takouto myšlienkou výrok R. Feynmana: Oko je časť mozgu, ktorá sa dotýka svetla! Od študentov pred začiatkom aktivity očakávame znalosť pojmov svetelný lúč, skutočný a neskutočný obraz. Realizované kurikulum prebieha v dvoch cykloch. Na začiatku prvého cyklu stojí príbeh o rybárovi amatérovi. Ten chce ostrým šípom alebo harpúnou uloviť rybu, ktorú vidí v jazere. Ako má mieriť, aby jeho šanca na úlovok bola reálna? Obr. 1: Ilustrácia k úvodnému príbehu Nasleduje krátka diskusia so študentmi. V rámci nej študenti formulujú svoje odpovede, zvažujú pritom rôzne aspekty nastolenej situácie pohyb ryby, prúdy, ktoré môžu pozmeniť smer letiaceho šípu a ďalšie. V tomto štádiu je vhodné dohodnúť sa na zjednodušení zadania a uvažovať o zámere rybára zasiahnuť nehybný cieľ nachádzajúci sa v pokojnej stojatej vode. Takéto zadanie viedlo u našich študentov k jednoznačnej odpovedi, že optimálne bude mieriť priamo na cieľ, tam, kde ho vidíme. Takéto tvrdenie sme spochybnili provokatívnou otázkou: Je to skutočne tak? a výzvou: Dokážte to!. Cieľom tejto diskusie je, aby študenti dospeli k otázkam: Môže niečo zapríčiniť, že ryba sa v skutočnosti nenachádza tam, kde ju rybár vidí? Ovplyvňuje voda to, kde rybár vidí rybu? Je možné, že voda zmení chod svetelných lúčov?. Odpoveď na tieto otázky si vyžaduje plán, ako modelovať situáciu v laboratórnych podmienkach. Prechádzame do fázy plánovania, organizácie a realizácie skúmania. Pre tento zámer dostanú študenti k dispozícii pomôcky, ktoré pomerne priamo vedú k experimentu. Ide o nepriehľadnú nádobu (dóza či akvárium obalené papierom, škatuľa od mlieka alebo podobne), na ktorej dne je prilepená minca a inú nádobu s vodou. Študenti pracujú v skupinách, prilievajú vodu do nádoby s prilepenou mincou a pozorujú zmenu polohy mince. Samostatne alebo po usmernení učiteľom nastavia podmienky experimentu tak, že

256 na začiatku sa minca nachádza mimo ich zorné pole. Napriek zafixovanému pohľadu po priliatí istého množstva vody mincu uvidia. Nasleduje interpretácia výsledkov, kedy študenti zmenia svoje pôvodné stanovisko a uvedomia si, že ryba sa v skutočnosti pod vodou nenachádza na mieste, kde ju vidíme. Ak ju chce rybár zasiahnuť šípom, treba mieriť pred miesto, kde ju vidíme, bližšie k brehu, niekam medzi obraz ryby a svoju polohu. Príčinu vidia vo vode, ktorá zmení chod svetelných lúčov, svetlo sa zakriví, ohne, zlomí... Tým sme čiastočne zodpovedali otázku, čo sa deje. V nasledujúcej časti sa budeme zaoberať otázkou prečo, sa to deje. Zdanlivo opustíme tému a nastolíme nový problém. Nový príbeh je o záchranárovi, ktorí stojí na pláži a vidí v mori topiaceho sa človeka. Ide o čas. Záchranár sa k topiacemu musí dostať za najkratší možný čas. Akú cestu má záchranár zvoliť? (Feynman, 2000) Naši študenti po vypočutí príbehu žiadali dodatočné informácie o pohybe záchranára, či existujú nejaké morské prúdy a aký majú smer. Situáciu sme teda spresnili žiadne morské prúdy neuvažujeme, záchranár ale iste rýchlejšie behá, ako pláva. Študenti následne tvoria hypotézy ohľadom ideálnej trajektórie. Tak ako sme očakávali, opakovali sa hlavne 2 hypotézy: 1. Záchranár by mal ísť po najkratšej možnej dráhe, teda po priamke, ktorá spája jeho počiatočnú polohu na pláži a polohu topiaceho sa! 2. Záchranár by mal plávať vo vode najkratšiu možnú vzdialenosť, preto by mal do vody vstúpiť kolmo na polohu topiaceho sa. Ako nástroj na overovanie týchto hypotéz ako aj riešenie problému sme vytvorili animáciu v prostredí Coach 6. V animácii študenti menili polohu vstupu záchranára do vody a sledovali čas, za ktorý sa dostane k topiacemu. Po sérii pokusov vyvrátili svoje prvotné hypotézy a našli ideálnu trajektóriu záchranára. Je zjavné, že nejde o priamku. Trajektória sa láme pri prechode záchranára z pláže do vody. Obr. 2. : Animácia Lom v Coach 6 Na dokreslenie situácie sme vytvorili graf závislosti doby záchrany od miesta vstupu záchranára do vody. Tento vedie k poznatku, že riešenie je len jedno, existuje len jedna optimálna trajektória

257 Obr. 3 : Závislosti času záchrany od polohy vstupu záchranára do vody V rámci dosiahnutého kurikula je úlohou učiteľa, aby spojil oba diskutované problémy konštatáciou, že svetlo je záchranár!. To znamená v rôznych prostrediach sa šíri rôznou rýchlosťou a medzi dvoma bodmi sa šíri po takej trajektórii, ktorú prejde za najkratší možný čas. Upozorníme, že tento jav nie je v rozpore s priamočiarym šírením svetla, pokiaľ toto tvrdenie obmedzíme na jeden materiál. Stále môžeme pracovať s rozhraním dvoch prostredí, kde sa svetlo láme. Opätovne sa vraciame k pôvodnému problému zasiahnutie ryby oštepom. Vyzývame študentov, aby zakreslili približný chod svetelných lúčov do obrázka a zobrazili neskutočný obraz ryby. Obr. 4. Očakávané študentské riešenie Tab. 1. Časový harmonogram opísaných aktivít Vyuč. hodina Minúta v rámci vyučovacej Popis aktivít podľa vyššie uvedeného textu číslo: hodiny Prezentácia príbehu: rybár- amatér 6-8 Diskusia o príbehu, úprava zadania 8-20 Plánovanie a realizácia experimentu s mincou Interpretácia výsledkov Prezentácia príbehu: záchranár Diskusia, tvorba hypotéz Animácia hľadanie optimálnej trajektórie Zhrnutie, zavedenie terminológie

258 Navrhovaným podporovaným riadeným skúmaním študenti kvalitatívne objavili lom svetla. Vytvorená animácia poskytuje aj možnosť urobiť prvý krok ku kvantitatívnemu opisu. Súčasťou animácie sú stĺpcové regulátory veľkosti rýchlosti behu a rýchlosti plávania. Zmeny veľkosti rýchlosti na vyučovacej hodiny uvádzame príbehmi, napr. záchranár trénoval a zvýšil rýchlosť behu, resp. plávania, presunul sa na kamienkovú pláž, kde behá veľmi pomaly (pomalšie ako pláva). Pri každej z týchto situácií majú študenti predpovedať, ako sa zmení poloha vstupu do vody a následne svoju predpoveď overiť. V každej zo skupín, kde sme tento postup testovali, to študenti zvládli bez akýchkoľvek problémov. Ťažkosti spôsobila druhá časť úlohy, keď boli vyzvaní, aby vymysleli vlastnú fyzikálnu veličinu, pomenovali ju a definovali tak, aby dobre opisovala lom. Pre pochopenie tohto zadania sme uviedli príklad veličiny priemerná rýchlosť. Priemerná rýchlosť je fyzikálna veličina, definujeme ju ako podiel dráhy a času, za ktorý sme túto dráhu prešli. Dáva nám istú informáciu o pohybe, charakterizuje ho. Konkrétnemu pohybu vieme približne priradiť hodnotu rýchlosti a naopak, pri nejakej hodnote rýchlosti si vieme predstaviť, o aký pohyb môže isť, či ide o auto v meste alebo náboj vystrelený z pištole. V každej zo skupín bolo badateľné počiatočné zaskočenie a odmietnutie úlohy. To sa podarilo prekonať, keď sme pripomenuli predchádzajúci krok, keď absolútne prirodzene vedeli predpovedať, ako sa bude meniť optimálna dráha v rôznych situáciách. Zrejme nešlo o tipy, svoje hypotézy na základe niečoho tvorili. Odporučili sme im, nech toto niečo príjmu ako základ riešenia novej úlohy. Zo strany mnohých študentov nasledovalo uvedomenie si, že rozhodujúcim faktorom sú rýchlosti, ktorými sa záchranár pohybuje v jednom a druhom prostredí. V každej skupine sa našli niekoľkí, čo navrhli definovať novú veličinu, ako pomer rýchlostí v prvom a druhom prostredí. Spravidla vedeli aj správne interpretovať rôzne hodnoty takto definovanej veličiny, teda približne určiť ako bude vyzerať optimálna trajektória záchranára pri hodnote veličiny 1; 1,5; 100, resp. 0,7 a ďalšie. Najčastejšie pomenovanie ich fyzikálnej veličiny bolo lom, z netradičných spomenieme názov helios. Na záver aktivity sme študentov oboznámili s tým, že rovnaká veličina, akú práve zaviedli, sa nachádza vo vedeckom systéme poznatkov a nazýva sa relatívny index lomu. Tiež sme zaviedli absolútny index lomu. Nezodpovedanou otázkou je, čím je optimálna poloha vstupu do vody špeciálna, čo platí pre túto polohu. Musí existovať lepší spôsob, ako ju nájsť, nielen metóda pokus - omyl. Odporúčame nechať študentov, aby informáciu vyhľadali v knihách, prípadne na internete. Záver Mnohé pedagogické výskumy ukazujú, že študenti nerozumejú základným fyzikálnym pojmom v takej miere, ako sa očakáva a vyžaduje. Cestu k zlepšeniu situácie vidíme v inovácii vyučovacích metód s dôrazom na aktivitu žiakov. V príspevku sme sa snažili aplikovať overenú didaktickú metódu podporovane riadené skúmanie, pri zavádzaní fyzikálneho pojmu lom svetla. Poďakovanie Príspevok vznikol s podporou MŠ SR, projekt APVV LPP , Prírodné vedy v ŠkVP a s podporou Univerzity Komenského, grant UK/458/2012, Zavádzanie fyzikálnych pojmov aktívnou poznávacou činnosťou žiakov. Literatúra [1] DEMKANIN, P. (2008). Poznámky k cieľom fyzikálneho vzdelávania. In: Obzory matematiky, fyziky a informatiky, roč. 37, 2008, č. 2, s. 54. ISSN

259 [2] DEMKANIN, P. (2009): Počítačom podporované prírodovedné laboratórium, učebný text, FMFI, UK Bratislava, 2009, ISBN: [3] HORVÁTH, P. Experimenty s využitím CD. In: Jak učím fyziku? (DVD ROM). Praha : Jednota českých matematiků a fyziků, ISBN [nestr., s. 1-7] [4] FEYNMAN, R., LEYGHTON, R. SANDS, M. (2000). Feynmanovy přednášky z fyziky s řešenými příklady 1. Praha : Fragment, ISBN [5] HARLEN, W. (2006). Teaching, learning and Assessing Science London : SAGE, ISBN [6] KLENTSCHY, M., THOMSOM, L. (2008). Scaffolding Science Inquiry Through Lesson Design, NH : Heineman, ISBN [7] LAPITKOVÁ, V. a kolektív (2012). Hodnotenie žiackych výkonov v reformovaných prírodovedných programoch základnej školy. Prešov : Vydavateľstvo Michala Vaška, 2011 [8] MŠ SR. (2011). Štátny vzdelávací program ISCED 3. Dostupné na < Adresa autorov Mgr. Michaela Velanová, doc. RNDr. Peter Demkanin, PhD. Univerzita Komenského v Bratislave, Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Mlynská dolina F1, Bratislava 4 michaela.velanova@fmph.uniba.sk, Peter.Demkanin@fmph.uniba.sk

260 MEDZIPREDMETOVÉ VZŤAHY A MEANDRE RIEK Klára Velmovská KTFDF FMFI UK v Bratislave Abstrakt: V príspevku sa zaoberáme medzipredmetovými vzťahmi a možnosťami ich rozvoja pri vyučovaní. Príspevok ponúka alternatívu uplatnenia medzipredmetových vzťahov fyzika geografia pri opise meandrov riek a vysvetlení ich vzniku. Nevyhnutnou súčasťou je aj opis a vysvetlenie pohybu čajových lístkov v pohári. Kľúčové slová: medzipredmetové vzťahy, meandre riek, obraz krajiny, hydrostatický tlak, dostredivá sila, prúdenie reálnej kvapaliny Úvod Uplatňovanie medzipredmetových vzťahov pri vyučovaní poskytuje žiakovi komplexný pohľad na veci. Jeho nespornou výhodou je aj zmena pohľadu študenta na možnosti uplatnenia získaných poznatkov fyzika sa neučí len pre fyziku, čo nesporne vedie k zvyšovaniu jeho motivácie. Na druhej strane je však uplatňovanie medzipredmetových vzťahov náročné na prípravu zo strany učiteľa. Učiteľ musí nájsť vhodné témy a pripraviť si k nim materiály. Ak chce niektorú tému vyučovať medzipredmetovo, musí kooperovať s učiteľom iného predmetu a zaradenie témy časovo zladiť s ním. Z pohľadu učiteľa je výhodou časová úspora pri vyučovaní, keďže sa učiteľ môže odvolávať na poznatky z druhého predmetu, odstráni sa duplicita. Pri súčasnej dotácii hodín fyziky to nie je nezanedbateľná výhoda. Keďže príspevok sa zaoberá medzipredmetovými vzťahmi, prvá časť príspevku je venovaná teoretickému pohľadu na ne. Pri výbere témy príspevku sme vychádzali z presvedčenia, že učitelia nemajú dostatok námetov na uplatňovanie medzipredmetových vzťahov. Preto sme sa rozhodli pre tému Meandre riek, ktorá zasahuje tak do fyziky ako i geografie. Je nám jasné, že vysvetliť korektne a presne vznik meandrov je z fyzikálneho hľadiska náročné. My sa pokúsime vysvetliť ich vznik na úrovni študenta strednej školy a dúfame, že sa nedopustíme väčších fyzikálnych prehreškov. 1 Definovanie medzipredmetových vzťahov Jedným zo základných problémov fyzikálneho vzdelávania je rozpor medzi narastajúcim objemom fyzikálnych poznatkov a ich praktických aplikácii a obmedzenými možnosťami školskej výučby. Preto didaktika fyziky i prax hľadajú cesty k preklenutiu tohto rozporu a uplatňujú rôzne prístupy k výberu učiva, jeho usporiadaniu do didaktickej sústavy a voľbe metód odovzdávania nových poznatkov vo výučbe. (Lepil, O., 2005,s.47) Jednou z možností, ktorá ponúka riešenie tohto problému je uplatňovanie medzipredmetových vzťahov pri vyučovaní prírodovedných predmetov. Medzipredmetové vzťahy je možné chápať ako prienik určitej témy v obsahoch učív rôznych predmetov alebo metódach práce a využitie týchto prepojení k systematizácii poznatkov. Základnou charakteristikou vzdelávacej oblasti na gymnáziu je hľadanie zákonitých súvislostí medzi pozorovanými vlastnosťami prírodných objektov a procesov, ktoré nás obklopujú v každodennom živote. Porozumenie podstaty javov a procesov si vyžaduje interdisciplinárny prístup, a tým aj úzku spoluprácu jednotlivých prírodovedných odborov. Vzdelávacia oblasť Človek a príroda má žiakom sprostredkovať poznanie, že neexistujú bariéry medzi jednotlivými úrovňami organizácie prírody a odhaľovanie jej zákonitostí je možné len prostredníctvom koordinovanej spolupráce všetkých prírodovedných odborov s využitím IKT. (ŠPÚ, 2008, s.15) Poznatky prírodovedných predmetov vo vzdelávacom systéme navzájom súvisia, sú poprepletané

261 a vytvárajú tak medzipredmetové väzby. Pri správnom využití medzipredmetových vzťahov je možné efektívnejšie a zmysluplnejšie podávať žiakovi nové učivo. Medzipredmetové vzťahy definujeme ako väzby medzi prvkami didaktických systémov rôznych vyučovacích predmetov. Medzipredmetové väzby vychádzajú z obsahových zhôd učiva jednotlivých predmetov (obsahové väzby), spoločných metód a foriem práce (metodické väzby) a z časovej nadväznosti učiva jednotlivých predmetov (časové väzby) (Janás, 2001). Josef Janás uvádza nasledujúce charakteristiky medzipredmetových vzťahov, (Janás, 1985): a. Sú potrebné k vytvoreniu ucelenej predstavy žiakov o prírode a spoločnosti. b. Uľahčujú systematizáciu poznatkov z rôznych predmetov. c. Napomáhajú odstrániť nežiaduce duplikovanie učiva v jednotlivých predmetoch. d. Umožňujú vytvárať schopnosť syntézy a transferu poznatkov a pracovných metód z jedného predmetu do druhého. 2 Uplatňovanie medzipredmetových vzťahov vo vyučovaní Niektoré témy zo základnej a strednej školy, v ktorých je možné uplatňovať medzipredmetové vzťahy, sú pomerne známe. Uvedieme len niekoľko príkladov: Modely vesmíru (FYZ DEJ Kolobeh vody v prírode (FYZ BIO) Vlastnosti látok a telies (FYZ CHE) Stavba oka a ucha (FYZ BIO) Fotosyntéza a chlorofyl (FYZ BIO) Pohyb Slnka a Mesiaca (FYZ GEG) Počítačom podporované laboratórium (FYZ INF) Medzipredmetové vzťahy vo fyzike a geografii možno nie sú tak ľahko viditeľné ako napríklad vo fyzike a matematike. Napriek tomu existujú. Možnosť uplatniť ich máme napríklad v téme Meandre riek. Podľa ŠVP sa touto témou žiaci zaoberajú na geografii už na základnej škole (Tab.1, 2). Tab 1: Časť Svetadiely prílohy ISCED 2, Geografia (ŠVP, 2009, s.17) Svetadiely Témy Obsahový štandard Výkonový štandard VODSTVO Volga, Dunaj, Rýn, Pád, Odra, Tiber, Temža, Seina, Ženevské jazero, Balaton, Ladožské jazero. Murray, Darling, Eyrovo jazero. Morské prúdy... Tab 2: Časť Slovensko prílohy ISCED 2, Geografia (ŠVP, 2009, s.19) Slovensko Vysvetliť činnosť riek na príkladoch (doliny riek, jaskyne, meandre, mŕtve ramená, delta).... Témy Obsahový štandard Výkonový štandard PREMENY SLOVENSKA POVRCHU Vonkajšie činitele pôsobiace na povrch a príklady ich činnosti pri tvarovaní zemského povrch (pieskové presypy, sprašové nánosy, skalné mesto, riečna dolina, ľadovcová dolina, pleso, meander, mŕtve rameno, močariská, jaskyne). Vysvetliť na príkladoch ako vzniká skalné mesto, riečna dolina, ľadovcová dolina, sprašové nánosy, jaskyne, meandre, mŕtve ramená, jazerá a vymenovať príklady.

262 Medzi kľúčové pojmy témy Meandre riek z fyziky a geografie patria: fyzika sily, výslednica síl, 2. Newtonov pohybový zákon, pohyb po kružnici, dostredivá sila, hydrostatický tlak, prúdenie reálnej kvapaliny,... geografia mapa, obraz krajiny, činnosť rieky, vplyv na krajinu, popis častí meandra,... Fyzikálne poznatky potrebné k vysvetleniu vzniku meandrov, žiaci získavajú až na strednej škole, preto je vhodné túto tému zaradiť na vyučovanie napríklad na seminári z fyziky v 3. alebo 4. ročníku gymnázia. 3 Meandre riek Meandre sú oblúkovité zakrivenia rieky, ktoré jej tok odchyľujú od priameho smeru. Meandre vznikajú na riekach nielen v Kanade (delta rieky Mackenzie, severozápadná Kanada), Rusku (rieka Birsk, republika Baškirsko), ale i na Slovensku (Malý Dunaj, Obr. 1). Obr. 1: Meandre na rieke Malý Dunaj v Podunajskej nížine Každý riečny meander má časti, ktorých názvy sú uvedené na (Obr. 2). ostroha smer toku horné rameno dolné rameno meandrová šija Obr. 2: Potok Lúžňanka na Liptove

263 Prečo však rieky nemajú priamy tok? Prečo je obyčajne jeden breh rieky v zákrute strmý a druhý nie? Odpoveď na tieto otázky dáva hydrodynamika. Táto odpoveď je veľmi zložitá, ako bolo spomenuté v úvode. My sa uspokojíme s odpoveďou na úrovni stredoškoláka. Zámerne sa nebudeme zmieňovať o Coriolisovej sile, ktorá v tomto jave zohráva tiež svoju úlohu. 4 Čajové lístky Záhadu meandrov riešil Albert Einstein. V roku 1926 na zasadaní Pruskej akadémie vied porovnal pohyb vody v riekach s pohybom vody v pohári. Svoje zistenia publikoval v časopise Die Naturwissenschaften (Einstein, 1926). Pozoroval správanie čajových lístkov v pohári, ktoré považujeme za kľúčové pre vysvetlenie vzniku meandrov. V pohári sú v kvapaline čajové lístky. Lyžičkou uvedieme kvapalinu do kruhového pohybu a lyžičku vytiahneme. Lístky sa spolu s kvapalinou krútia dookola. Kde sa usadia, keď sa kvapalina v pohári prestane pohybovať? Keďže odstredivá sila je známy pojem pre pohyb po kružnici, núka sa hypotéza H: Čajové lístky by sa mali usadiť na okraji nádoby. Priebeh tohto jednoduchého experimentu je znázornený na (Obr. 3). A B C D Obr. 3: Správanie čajových lístkov počas experimentu (A kvapalinu sme roztočili a vytiahli lyžičku, B, C kvapalina postupne spomaľuje, D kvapalina sa nepohybuje, čajové lístky sa usadili v strede nádoby) Z (Obr. 3) je zrejmé, že vyslovená hypotéza H sa nepotvrdila čajové lístky sa neusadili na okraji nádoby, ale napriek očakávaniu v jej strede. Na to, aby sme podali vysvetlenie tohto javu, je nutné uvedomiť si, že hladina rotujúcej kvapaliny nadobudne tvar paraboliodu

264 Obr. 4: Paraboloid (Zdroj: Zdôvodnenie tohto tvaru v neinerciálnej sústave je možné nájsť napr. v (Hlavička a kol., 1971, s. 255). V ďalšom sa budeme zaoberať odvodením tohto tvaru v inerciálnej sústave, ako je uvedené v (Aslamazov, 1983). K tomuto vysvetleniu sa vzťahuje (Obr 5). Obr. 5: K odvodeniu tvaru hladiny rotujúcej kvapaliny Newtonov pohybový zákon pre element kvapaliny s hmotnosťou m, pohybujúcej sa so zrýchlením a v inerciálnej vzťažnej sústave: F = ma pre element kvapaliny s hmotnosťou m vo vzdialenosti r od osi otáčania pohybujúcej sa s uhlovým zrýchlením ω F 1 F 2 = ω 2 r m Nech element kvapaliny má tvar kocky s obsahom bočnej steny S (p 1 p 2 ) S = ω 2 r m Tlak v hĺbke h pod voľným povrchom kvapaliny s hustotou ρ je hydrostatický tlak (g je gravitačné zrýchlenie) ρg(h 1 h 2 ) S = ω 2 r m Pre hmotnosť elementu kvapaliny s objemom V platí m = ρ V = ρ S r Z toho ρg h S = ω 2 rρ S r

265 Ak zoberieme nekonečne malý element Integrujeme g h = ω 2 r r h = ω 2 r r g dh = ω g 2 dh = ω g h(r) = ω r 2 + c 2g Hodnotu integračnej konštanty získame z hraničnej podmienky h(r) = h 0 c = 0 h(r) = h 0 + ω 2g Z tohto vzťahu je jasné, že výška h kvapaliny vo vzdialenosti r od osi otáčania narastá s jej druhou mocninou je to rovnica paraboly. Povrch kvapaliny preto zaujme tvar rotačného paraboloidu. 2 rdr 2 rdr 2 r 2 Obr. 6: K vysvetleniu sekundárneho prúdenia vznikajúceho v zastavujúcej sa kvapaline Už vieme, že povrch rotujúcej kvapaliny zaujme tvar paraboloidu. Zamyslime sa teraz nad tým, čo núti čajové lístky zhromaždiť sa v strede. Zoberme si dva elementy vody, ktoré sú v rovnakej vzdialenosti od osi otáčania, ako je znázornené na (Obr. 6), avšak jeden je bližšie k hladine. Sily F 1 a F 2 sú tlakové sily pôsobiace na vybraný element vďaka hydrostatickému tlaku vody. Keďže výška hladín h 1 a h 2 nie je rovnaká, veľkosť týchto síl je rôzna. Ich rozdiel je daný rozdielom výšok h 1 a h 2. Rovnako je to aj pre nižšie položený element. Rozdiel síl F,, 1 a F 2 je rovnaký ako rozdiel síl F 1 a F 2. Rozdiel týchto síl pôsobí smerom k osi otáčania, je to dostredivá sila a oba elementy sa pohybujú po kruhovej trajektórii s rovnakou uhlovou rýchlosťou. Keď kvapalinu prestaneme miešať a vytiahneme z nej lyžičku, kvapalina postupne zmenšuje svoju rýchlosť otáčania. Avšak nie rovnomerne v celom objeme. Kvapalina vďaka treniu o dno nádoby je v dolných vrstvách spomaľovaná oveľa viac ako vo vrstvách vyšších. To znamená, že dolný element (Obr. 6) sa pohybuje s menšou uhlovou rýchlosťou ako horný element. Avšak na oba pôsobí rovnako veľká sila smerujúca k osi otáčania. Na udržanie kruhového pohybu s menšou uhlovou rýchlosťou je potrebná menšia dostredivá sila. Keďže na dolný element pôsobí sila väčšia ako je potrebná dostredivá sila, jedna jej zložka uvedie element vody (čajový lístok) k translačnému

266 pohybu smerom k osi otáčania. Vzniká tzv. sekundárne prúdenie, ako je znázornené na (Obr. 7). V dôsledku tohto prúdenia sa čajové lístky usadia v strede nádoby. Obr. 7: Sekundárne prúdenie vznikajúce v šálke s kvapalinou rotujúcou okolo vertikálnej osi 5 Od čajových lístkov k meandrom Čo majú čajové lístky spoločné so vznikom meandrov? V ohyboch riek tiež vzniká sekundárna cirkulácia. Ak si predstavíme obrovskú nádobu s polomerom rovným polomeru ohybu rieky, ako je znázornené na (Obr. 8), vznik sekundárnej cirkulácie ľahko zdôvodníme. Tok vody v ohybe rieky predstavuje časť prúdiacej kvapaliny v nádobe. Obr. 8: Obrovskú nádoba s polomerom rovným polomeru ohybu rieky aj v ohyboch riek vzniká sekundárna cirkulácia Ako píše (Mojžiš, 2010), mýlili by sme sa, keby sme si mysleli, že erózia brehu vzniká odplavovaním čiastočiek dna od vonkajšieho brehu smerom k vnútornej strane ohybu vďaka sekundárnej cirkulácii. Pre eróziu, či už mechanickú, alebo chemickú (rozpúšťanie), je podstatná rýchlosť vody, a nie jej tlak na breh. Vieme, že voda v rieke netečie v každom bode jej prierezu rovnakou rýchlosťou. Vďaka treniu o brehy je rýchlosť jej prúdu najnižšia pri brehoch a najvyššia v jej strede pri hladine (Obr. 9A)

267 A B Obr. 9: Rozdelenie vektorov rýchlosti A v priamom toku rieky B v ohybe rieky V ohybe rieky nastáva vďaka sekundárnej cirkulácii posun aj v rozdelení vektorov rýchlosti prúdenia vody v rieke (Obr. 9B). Na vonkajšej strane ohybu je rýchlosť prúdenia vody väčšia ako na vnútornej strane, čo má za následok výraznejšie vymývanie vonkajšieho brehu ako vnútorného. Dôsledkom tohto javu je postupné narastanie meandra. Záver V tomto príspevku sme sa snažili priblížiť možnosti rozvíjania medzipredmetových vzťahov a poskytnúť námet pre predmety fyzika a geografia. Rozpracovali sme tému Meandre riek. Vznik meandrov sme sa pokúsili objasniť na úrovni študenta strednej školy. Veríme, že táto téma, ktorá je obsiahnutá aj v ŠVP pre geografiu, nájde uplatnenie v praxi. Poďakovanie Tento príspevok vznikol s podporou projektu APVV LPP Prírodné vedy v školských vzdelávacích programoch. Zoznam bibliografických odkazov [1] ŠPÚ, Štátny vzdelávací program pre gymnáziá v Slovenskej republike : ISCED 3A Vyššie sekundárne vzdelávanie. [online]. Bratislava : ŠPÚ. [cit ]. Dostupné na < uments/%c5%a0t%c3%a1tny%20vzdel%c3%a1vac%c3%ad%20program%20pre%20gymn%c 3%A1zi%C3%A1%20v%20Slovenskej%20republike,%20ISCED%203A%20- %20vy%C5%A1%C5%A1ie%20sekund%C3%A1rne%20vzdel%C3%A1vanie.pdf> [2] LEPIL, O Jsou projekty integrované přírodovědy cestou vývoje fyzikálního vzdělávání v 21. století? In Projekty v teorii a praxi vyučování fyzice, sborník z konference, ed. D. Nezvalová, [online].olomouc: Univerzita Palackého [cit ]. s ISBN Dostupné na < [3] JANÁS, Josef Mezipředmětové vztahy a jejich uplatňování ve fyzice a chemii na základní škole. 1. vyd. Brno: Univerzita J. E. Purkyně v Brně, s. 87. ISBN [4] JANÁS, J.: Mezipředmětové vazby šance pro školu v tomto století. In Mezipředmětové vazby fyziky s ostatními předměty, matematikou a předmětem praktické činnosti. Hradec Králové : MAFY, 2001, s ISBN

268 [5] Štátny vzdelávací program, GEOGRAFIA Príloha ISCED 2. [online]. Bratislava: Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu. [cit ]. Dostupné na < ced2.pdf> [6] EINSTEIN, A The Cause of the Formation of Meanders in the Courses of Rivers and of the So-Called Baer s Law. Die Naturwissenschaften. [online]. Vol. 14, [cit ]. Dostupné na < [7] MOJŽIŠ, M. Einstein a meandre riek. In Týždeň. č. 20/2010. s [8] HLAVIČKA, A. a kol. Fyzika pro pedagogické fakulty. Praha : SPN s [9] ASLAMAZOV, L. G. Meandry rek. In Kvant, No. 1, ISSN s Adresa autora PaedDr. Klára Velmovská, PhD. KTFDF FMFI UK v Bratislave Mlynská dolina F1, Bratislava velmovska@fmph.uniba.sk

269 Z FYZIKÁLNEJ KUCHYNE GYMNÁZIA PÚCHOV II Mgr. Mária Pastorková Gymnázium Púchov Abstrakt: Tento príspevok obsahuje popis reálnych počítačom podporovaných experimentov využitím meracieho systému Coach. Vybrali sme pokusy z oblasti kinematiky a dynamiky hmotného bodu, periodických dejov a elektromagnetickej indukcie. Kľúčové slová: reálny počítačom podporovaný experiment, merací systém Coach, intrerfejs, senzory Úvod Vyučovanie fyziky je mimoriadne náročné na materiálno-technické zabezpečenie. Na objasnenie fyzikálnych javov by mal učiteľ používať rozličné učebné pomôcky buď formou demonštračného alebo žiackeho experimentu. V minulosti sa využívali jednoduché i zložitejšie mechanické alebo elektrické pomôcky a zariadenia. S rozvojom počítačovej techniky od 80. rokov 20. storočia sa v školách postupne objavujú nové, moderné zariadenia, pracujúce pomocou špecializovaného softvéru. Gymnázium Púchov má už niekoľko rokov licenciu na softvér Coach 6, päť interfejsov na meranie dvoch alebo štyroch fyzikálnych veličín súčasne a množstvo rozličných senzorov. Spomínané pomôcky umožňujú merať fyzikálne veličiny, zobrazovať ich hodnoty aj pomocou tabuľky alebo grafu. Program dáva priestor pre vytváranie a modelovanie experimentu, čím sa rozvíja tvorivé a logické myslenie žiaka. Ako sa uvádza v [1] Coach je univerzálne prostredie pre vzdelávanie v oblasti prírodných vied, matematiky a základov techniky. Integruje nástroje pre meranie, riadenie, videomeranie, tvorbu interaktívnych animácií, pokročilé spracovanie dát a analýzu dát. 1. Kinematika hmotného bodu Skúsenosti učiteľov fyziky pri preberaní kinematiky hmotného bodu svedčia o tom, že žiaci vo všeobecnosti horšie chápu rozdiel medzi jednotlivými druhmi pohybov, majú problém pri odvodení správnych definičných vzťahov a pri posudzovaní pohybov na základe analýzy grafov. 1.1 Zobrazte rovnomerný priamočiary pohyb ako závislosť dráhy od času Pomôcky: interfejs Coach Lab II+, počítačová zostava, softvér Coach 6 pre Gymnázium Púchov, ultrazvukový senzor vzdialenosti, vozíčková dráha, podložka pod vozíčkovú dráhu Postup: 1. Otvorte v počítači program CMA Coach 6 - Autor. 2. Zvoľte merací panel Coach Lab II+ a voľbu potvrďte tlačidlom OK. 3. Pripojte k interfejsu ultrazvukový senzor vzdialenosti. 4. Zvoľte nový graf, na C1 zadajte čas 10 s, na C2 ultrazvukový senzor vzdialenosti od 0 m do 1 m. 5. Senzor upevnite na laboratórny stojan a postavte ho k vozíčkovej dráhe. 6. Uveďte vozíček do pohybu smerom od senzora (meranie spustite keď je vozíček minimálne 20 cm od senzora). 7. Pomocou funkcie prezeranie analyzujte graf, fitujte ho pomocou funkcie. 8. Použitím číselných údajov z grafu vypočítajte rýchlosť rovnomerného pohybu vozíčka

270 Výpočet: Obr.1: Graf závislosti dráhy rovnomerného priamočiareho pohybu od času 1.2 Zobrazte rovnomerne zrýchlený pohyb ako závislosť dráhy od času Postup: 1. Realizujte body 1-5 z úlohy Na strane pri ultrazvukovom senzore vzdialenosti podložte vozíčkovú dráhu podložkou. 3. Vozíček umiestite k senzoru do vzdialenosti minimálne 20 cm. 4. Pustite vozíček a súčasne spustite meranie. 5. Prezerajte a analyzujte graf, fitujte ho pomocou funkcie. 6. Použitím číselných údajov z grafu vypočítajte zrýchlenie rovnomerne zrýchleného pohybu vozíčka. 7. Určte z grafu hodnotu dráhy v 5. sekunde pohybu. Výpočet: Obr.2: Graf závislosti dráhy rovnomerne zrýchleného pohybu od času 1.3 Zobrazte rovnomerne spomalený pohyb ako závislosť dráhy od času Postup: 1. Realizujte body 1-5 z úlohy Podložte vozíčkovú dráhu na opačnej strane ako v úlohe

271 3. Vozíček umiestite na spodnú časť dráhy. 4. Uveďte vozík do pohybu smerom nahor k senzoru, keď takmer zastane, skončite meranie. 5. Prezerajte a analyzujte graf, fitujte ho pomocou funkcie. 6. Použitím číselných údajov z grafu vypočítajte zrýchlenie rovnomerne spomaleného pohybu. Výpočet: Obr.3:Graf závislosti dráhy rovnomerne spomaleného pohybu od času 2. Dynamika hmotného bodu Pomocou dvoch senzorov sily môžeme zobraziť vzájomné pôsobenie dvoch telies ako graf závislosti ťahovej sily od času. Pomôcky: dva dvojrozsahové senzory sily s meracím rozsahom (0-10) N, interfejs Coach Lab ll+, počítačová zostava Postup: 1. Senzory z úlohy 1 vymeníme za dva dvojrozsahové senzory sily. 2. Do jedného zobrazovacieho poľa zvolíme graf závislosti oboch síl od času. 3. Senzory spojíme háčikmi, spustíme meranie. 4. Senzory počas merania ťaháme od seba premenlivou silou pozorujeme priebeh grafu. 5. Z časového priebehu oboch síl je zrejmé, že silové pôsobenie je vzájomné, sily vznikajú a zanikajú súčasne a majú opačný smer. Obr.4: Graf závislosti síl vzájomného pôsobenia od času

272 3. Periodické deje Pomocou senzora optická brána môžeme zobraziť kmitavý pohyb kyvadla a určiť periódu kmitov a dĺžku závesu. Pomôcky: senzor registrácie kmitov - optická brána, kyvadlo (vlákno ľubovoľnej dĺžky, závažie hmotnosti napr. 100 g, laboratórny stojan, držiak závesu kyvadla), Coach lab ll+, počítačová zostava Postup: 1. K interfejsu pripojíme senzor optická brána a ponecháme čas experimentu 10 s. 2. Kyvadlo upevníme v stojane a vychýlime z rovnovážnej polohy tak, aby ťažisko kyvadla približne prechádzalo senzorom optickej brány. 3. Kyvadlo pustíme a spustíme aj meranie. 4. Pozorujeme graf závislosti počtu kmitov kyvadla od času. Vidieť, že priebeh grafu je stupňovitý. 5. Pomocou funkcie prezeranie odčítame dva po sebe nasledujúce časy, kedy kyvadlo prešlo optickou bránou. Tento čas predstavuje periódu kmitov kyvadla. 6. Zo známej periódy kmitov a pomocou dĺžkového meradla určíme dĺžku závesu kyvadla, výsledky porovnáme. Výpočet: Obr.5: Graf závislosti počtu kmitov kyvadla od času 4. Elektromagnetická indukcia Je mnoho spôsobov ako demonštrovať jav elektromagnetickej indukcie využitím systému Coach. Predstavujeme jeden z nich. Pomôcky: senzor napätia s rozsahom (-5, 5)V, magnet s väčšou magnetickou indukciou (napr. prstenec s vonkajším priemerom 0,1 m), pevné vlákno (lyko), cievka so 600 závitmi, laboratórny stojan s držiakom na záves s magnetom, interfejs Coach Lab ll+, počítačová zostava Postup: 1. Na vlákno priviažeme magnet. Otáčaním magnetu okolo zvislej osi mu udelíme potenciálnu energiu. Stojan s magnetom umiestime tak, aby magnet visel pred dutinou cievky a mohol sa voľne otáčať. 2. Pustíme magnet a meranie, sledujeme graf závislosti indukovaného elektromotorického napätia v závitoch cievky od času

273 3. Z priebehu grafu môžeme porovnať frekvenciu striedavého napätia v priebehu pokusu, pozorovať zmenu momentu otáčania magnetu. Obr.6: Graf závislosti indukovaného elektromotorického napätia v cievke od času Záver Náš príspevok prináša len výber experimentov s využitím systému Coach, ktoré sme v škole samostatne navrhli. Široká škála senzorov, ktoré máme k dispozícii nás motivuje pokračovať vo vytváraní ďalších pokusov. K jednotlivým meraniam tvoríme pracovné listy pre žiakov. Tieto sa stávajú súčasťou ich osobného portfólia pre maturitnú skúšku z fyziky. Poďakovanie Úprimné poďakovanie patrí kolegovi, RNDr. Jozefovi Toporovi, za spoluprácu pri vytváraní a realizácii experimentov. Literatúra [1] DEMKANIN, Peter a kol Počítačom podporované prírodovedné laboratórium. FMFI UK Bratislava, ISBN [2] LEPIL, Oldřich a kol Fyzika pre 3. ročník gymnázia. SPN, ISBN Adresa autora Mgr. Mária Pastorková Gymnázium Púchov Ul.1.mája Púchov pastorkowa@centrum.sk

274 Festival fyziky je organizovaný Slovenskou fyzikálnou spoločnosťou. Sponzori konferencie: Projekty: APVV LPP , APVV LPP Zborník bol vydaný s podporou projektu APVV LPP Veda na scéne Slovensko Názov: Typ: Editori: Tvorivý učiteľ fyziky V Národný festival fyziky 2012 Zborník príspevkov doc. RNDr. Marián Kireš, PhD. RNDr. Dalibor Krupa, CSc., D.Phil. Rok vydania: 2012 Rozsah: 271 strán Náklad: 150 ks Tlač: Equilibria, s.r.o., Košice ISBN EAN